色彩調(diào)和模型研究現(xiàn)狀綜述

劉冬圓 蘇玉香 趙嘉怡 許龍/青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院

色彩調(diào)和對(duì)于色彩的意義在于通過合理的搭配和運(yùn)用，表達(dá)情感和提升用戶體驗(yàn)等，對(duì)于設(shè)計(jì)作品的成功與否具有重要影響。正確的色彩調(diào)和不僅是可觀賞的藝術(shù)，更是現(xiàn)代生活中具有實(shí)用價(jià)值的現(xiàn)實(shí)存在。它與環(huán)境、器用、生活等融匯在一起有效地提升設(shè)計(jì)中的品質(zhì)與表現(xiàn)力。色彩調(diào)和模型作為表達(dá)色彩調(diào)和的最本質(zhì)的形式，是色彩調(diào)和研究的最新前沿。

1 基本概述

1.1 色彩調(diào)和模型的定義

色彩調(diào)和模型旨在通過一系列規(guī)則或算法選擇和組合色彩，尋找最優(yōu)的配色方案和組合方式，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的和效果。它依據(jù)色彩學(xué)、心理學(xué)和設(shè)計(jì)原則等領(lǐng)域的知識(shí)，為設(shè)計(jì)師、藝術(shù)家和其他相關(guān)人員提供了一種選擇和組合適宜配色方案的方法。

1.2 色彩基礎(chǔ)

色彩體系是描述顏色的系統(tǒng)化方法，提供了色相、飽和度、明度等參數(shù)描述顏色的屬性，是色彩調(diào)和模型實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。色彩調(diào)和模型則是利用色彩體系的規(guī)范和原理，通過調(diào)整和組合不同的顏色屬性實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的調(diào)和。對(duì)于顏色調(diào)整和設(shè)計(jì)領(lǐng)域，常見的色彩體系包括Munsell 色彩系統(tǒng)、CIELAB色彩空間、CIECAM02 色彩空間和HSV 色彩空間。

Munsell 色彩系統(tǒng)是基于人類顏色感知的三維色彩系統(tǒng)。色相用0 到100 的數(shù)字表示，其中紅色位于0 度，黃色位于90 度，綠色位于180 度，藍(lán)色位于270 度，紫色位于300 度。明度表示顏色的亮度或暗度，用0 到10 的數(shù)字表示，0 表示黑色，10 表示白色。飽和度表示顏色的純度或強(qiáng)度，用0 到20 的數(shù)字表示，0 表示灰色，20 表示純色。

CIELAB 是一種基于人眼視覺感知的色彩空間，可以提供更準(zhǔn)確的顏色描述，適用于顏色測量和匹配。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域。L 表示明度差異，正值表示較淺（白色），負(fù)值表示較暗（黑色）；a 表示紅綠差異，正值表示較紅，負(fù)值表示較綠；b 表示黃藍(lán)差異，正值表示較黃，負(fù)值表示較藍(lán)。

CIECAM02 是基于CIELAB 色彩空間的改進(jìn)版本，它考慮了觀察者的視角和觀察條件對(duì)顏色感知的影響。CIECAM02 提供了更全面和準(zhǔn)確的顏色描述，包括明度、色相和飽和度等參數(shù)。它還引入了對(duì)光照條件和表面反射特性的考慮，對(duì)顏色感知進(jìn)行更細(xì)致地建模。

HSV 是一種常用的色彩體系，它是根據(jù)人眼對(duì)顏色的感知方式來定義的，能夠更直觀地描述顏色的特征。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。顏色在色相環(huán)上的位置用0 度到360 度的角度值表示。

如上可見，目前常用的色彩空間基于三維體系。不同的色彩體系有不同的基本原理和參數(shù)用于描述顏色的屬性。這些色彩空間的選擇取決于具體的應(yīng)用需求和顏色屬性的表達(dá)方式。（圖1）

圖1 色彩空間

2 發(fā)展歷程

2.1 基于色相環(huán)與色立體的研究

色彩調(diào)和模型的研究始于20 世紀(jì)初期。研究者通過根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐探索色彩調(diào)和規(guī)律，以色相環(huán)或色立體為載體制定規(guī)則和邏輯實(shí)現(xiàn)色彩調(diào)和。色相環(huán)是將色彩按照色相進(jìn)行環(huán)狀排列，而色立體則是將色彩按照色相、明度和飽和度進(jìn)行立體排列形成的色彩體系。這些規(guī)則被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，如三色原則、對(duì)比原則。多位專家在這方面做出了重要貢獻(xiàn)[1]。Goethe 創(chuàng)建了六等分的色相環(huán)，他建議從色相環(huán)對(duì)側(cè)選擇顏色實(shí)現(xiàn)調(diào)和。Itten 建立了十二色相環(huán)，他認(rèn)為如果顏色在色相環(huán)中形成多邊形是調(diào)和的。Chevreul 主張顏色在色相環(huán)上進(jìn)行互補(bǔ)或類比的調(diào)和規(guī)則。隨后，為了突破模型僅依賴色相環(huán)的局限性，一些研究人員開發(fā)了通用的色立體系統(tǒng)，如美國Munsell 系統(tǒng)、德國Ostwald 系統(tǒng)、瑞典NCS 系統(tǒng)和日本PCCS 系統(tǒng)，提供了更全面、系統(tǒng)的色彩調(diào)和方法。后期研究中，一些學(xué)者提出新方法嘗試定量表示色彩調(diào)和。Moon、Spencer 通過觀察色彩的差異衡量審美程度，建立了一套基于色相和色調(diào)的調(diào)和規(guī)則。Matsuda 則設(shè)計(jì)了一組色彩調(diào)和模型，規(guī)定了在Munsell 系統(tǒng)上色彩調(diào)和的范圍。基于色相環(huán)和色立體的研究為色彩調(diào)和提供了重要的理論基礎(chǔ)，但這些理論之間沒有明顯的界限。有許多共同的原則的同時(shí)，也存在相互矛盾的地方。

2.2 基于心理物理實(shí)驗(yàn)的研究

隨著顏色測量和實(shí)驗(yàn)儀器的普遍應(yīng)用，心理物理學(xué)研究在色彩調(diào)和模型的發(fā)展中發(fā)揮了積極的推動(dòng)作用。研究人員通過結(jié)合人類視覺感知、色彩心理學(xué)對(duì)色彩調(diào)和進(jìn)行定量與定性研究。這些研究通過心理物理實(shí)驗(yàn)對(duì)早期的傳統(tǒng)研究進(jìn)行了完善與補(bǔ)充。Chuang 和Ou 通過視覺實(shí)驗(yàn)探索基于整體色彩空間中的色彩調(diào)和。Ou 和Luo 則通過配對(duì)比較法建立了基于CIELAB 空間的雙色調(diào)和模型。Szabó 等人通過視覺實(shí)驗(yàn)與量表評(píng)估法建立了二色、三色調(diào)和公式；Chamaret等人基于眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)，提出了評(píng)估圖片色彩調(diào)和的框架。此外，一些研究通過探討影響因素評(píng)估色彩調(diào)和。Ou 等人使用世界上12 個(gè)地區(qū)的視覺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)了一套色彩情感和色彩調(diào)和的定量模型。Wu 等人通過問卷測量和眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)，研究了色彩調(diào)和、不同色彩組合的愉悅感和認(rèn)知負(fù)荷之間的關(guān)系，并建立模型。這些研究主要是通過少數(shù)參與者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于公式和色彩空間的計(jì)算評(píng)估配色。研究者通常選擇兩種或三種配色進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便進(jìn)行更具體和可控的研究。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的研究

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)色彩數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)，推斷出色彩間的調(diào)和規(guī)律逐漸成為潮流。盡管圖像審美評(píng)估領(lǐng)域已經(jīng)有很多研究，但對(duì)色彩調(diào)和本身的研究相對(duì)較少。一些研究人員嘗試?yán)脵C(jī)器學(xué)習(xí)創(chuàng)建更加通用、精確且符合當(dāng)前趨勢的模型。O'Donovan 等人使用線性回歸從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練模型進(jìn)行色彩調(diào)和評(píng)估[2]；Yang等人利用最大似然估計(jì)法和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測RGB 空間中色彩主題的調(diào)和程度。大部分研究致力于圖像美學(xué)評(píng)估。Luo 和Tang 使用Matsuda 的調(diào)和模板以及場景組成特征來評(píng)估圖像的審美質(zhì)量。為評(píng)價(jià)照片和視頻的質(zhì)量，他們還提出了一種聚焦于圖像主題的方法，該方法考慮了顏色三個(gè)基本屬性的組合值；同時(shí)，Charmaret 和Urban 通過計(jì)算Matsuda 色相模型的權(quán)重檢測圖像的調(diào)和；Nishiyama等人開發(fā)了基于照片色彩調(diào)和度的框架；而Zaeimi 和Ghoddosian 根據(jù)Munsell 色彩系統(tǒng)中提出了基于元啟發(fā)式算法的色彩調(diào)和算法（CHA）。為克服模型過分依賴經(jīng)典規(guī)則并忽略圖像語義信息的問題，一些研究從訓(xùn)練圖像中學(xué)習(xí)色彩調(diào)和。Lu 等人引入圖像語義特征的概念構(gòu)建了符合人類視覺感知的預(yù)測模型，他們還利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了基于條件隨機(jī)場（CRF）的模型完成圖像審美評(píng)價(jià)。另外，一些研究通過獲取影響色彩調(diào)和的因素來構(gòu)建模型。Hu 等人結(jié)合顏色組合特征與個(gè)人偏好表征重構(gòu)了配色方案；Wu 等人使用多目標(biāo)交互式遺傳算法生成符合個(gè)人偏好的配色方案；Hao 和Ni 運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化色彩調(diào)和算法。另外，Lee 和Gong 通過研究色彩情感與調(diào)和之間的關(guān)系建立回歸模型；Wang 等人結(jié)合實(shí)驗(yàn)心理學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建了生理和物理模型。

綜上所述，色彩調(diào)和模型的發(fā)展經(jīng)歷了不斷的迭代過程，從理論經(jīng)驗(yàn)研究到基于心理物理學(xué)研究、機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用。這一過程涌現(xiàn)出許多不同的模型和方法，使我們能夠全面地理解和應(yīng)用色彩調(diào)和，為設(shè)計(jì)和藝術(shù)領(lǐng)域提供更好的色彩選擇和組合方法。

3 主要成果

3.1 基于圖形的模型

Munsell 色彩調(diào)和模型是基于Munsell 色彩系統(tǒng)中的色相、明度和飽和度，利用其固有的關(guān)系來創(chuàng)建各種配色方案。該模型描述了7 種色彩調(diào)和的規(guī)則，具體包括垂直調(diào)和、水平調(diào)和、圓周調(diào)和、對(duì)稱斜面的調(diào)和、非對(duì)稱斜面的調(diào)和、螺旋調(diào)和和橢圓調(diào)和。這些規(guī)則形成了配色方案的基礎(chǔ)，使得色相、明度和飽和度能夠相互協(xié)調(diào)。

Moon 和Spencer 的色彩調(diào)和模型基于Munsell 系統(tǒng)地以定量的方法創(chuàng)建色彩調(diào)和規(guī)則。他們將色相分為主色、輔助色和中間色，并根據(jù)色相環(huán)的調(diào)和規(guī)則進(jìn)行配色，調(diào)和區(qū)域分為同一性、類似性、對(duì)比性。明度關(guān)系分為高明度、中明度和低明度，飽和度關(guān)系分為高飽和度、中飽和度和低飽和度。當(dāng)明度與飽和度的關(guān)系處于陰影部分時(shí)為調(diào)和區(qū)域。

Matsuda 的色彩調(diào)和模型將色彩分為色相和色調(diào)兩個(gè)方面，其中色調(diào)包括明度和飽和度。根據(jù)色相和色調(diào)的相互關(guān)系，分為8 種色相調(diào)和和10 種色調(diào)調(diào)和，共形成80 種配色方案類型，陰影部分的顏色是調(diào)和的（圖2）。

圖2 基于圖形的模型

這些模型提供了指導(dǎo)配色方案的規(guī)則。然而，它們也存在一些缺點(diǎn)。這些模型對(duì)色彩的定義是基于經(jīng)驗(yàn)和理論進(jìn)行構(gòu)建的，可能無法完全涵蓋色彩的多樣性。況且，色相環(huán)由預(yù)定義的顏色組成，但實(shí)際顏色變化是無限的。因此，這些模型涵蓋的色彩范圍相對(duì)較窄。

3.2 基于公式的模型

基于數(shù)學(xué)公式的模型是基于色彩空間的坐標(biāo)計(jì)算顏色之間的距離或相關(guān)性。Ferenc Szabó 等人利用CIECAM02 色彩空間開發(fā)了預(yù)測色彩調(diào)和度的數(shù)學(xué)公式[3]。他們將色彩分為單色和多色，基于二、三色提出了四種調(diào)和公式。值得關(guān)注的還有臺(tái)灣科技大學(xué)的Lichen Ou 的研究成果[4]。早期，Mingchuen Chuang 和Lichen Ou 探究了整體色彩空間與色彩調(diào)和之間的關(guān)系，建立了基于CIELAB 色彩空間的三次函數(shù)公式，確定了調(diào)和區(qū)域[5]。中期，Lichen Ou 和M.Ronnier Luo 通過考慮色彩之間色相、飽和度、明度之間的關(guān)系建立二色調(diào)和公式，其中調(diào)和的預(yù)測分?jǐn)?shù)CH 在-1.24到1.39 的區(qū)間尺度上變化。之后，Lichen Ou 等人提出了可以預(yù)測三色和多色調(diào)和的模型。通過研究相鄰顏色對(duì)和非相鄰顏色對(duì)之間的關(guān)系，并結(jié)合二色調(diào)和公式，進(jìn)行三色調(diào)和的補(bǔ)充。后期，Lichen Ou 等人考慮到文化差異等因素，利用多個(gè)國家地區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)了二色通用模型。此外，Shimin Gong 和Wenyuan Lee 從三維產(chǎn)品的角度通過改變?nèi)N色彩屬性，規(guī)定兩種顏色的飽和度范圍，建立了四種調(diào)和公式。

基于心理物理公式的模型更注重考慮人類的感知和心理反應(yīng)，包括感知、情感和心理特征等影響因素。由此，Shuang Wang 等人利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分別構(gòu)建了基于色彩屬性等客觀因素的公式，基于直接心理因素的公式，以及基于間接心理因素的公式。此外，還有一些基于特定領(lǐng)域的模型研究。例如，ShuoTing Wei 和Lichen Ou 等人研究了果汁包裝的雙色調(diào)和模型，考慮了水果的新鮮度和外觀顏色等影響因素；Min Huang 等人結(jié)合了年齡、性別和風(fēng)格等因素，建立了適用于兩件式服裝的雙色調(diào)和模型。總的來說，這些特定領(lǐng)域的模型綜合考慮了心理物理因素和其他影響特定領(lǐng)域的因素。

總體而言，數(shù)學(xué)公式更注重色彩之間的物理性質(zhì)和計(jì)算方法，而心理物理公式則更注重人類對(duì)顏色的感知和情感反應(yīng)。兩者的側(cè)重點(diǎn)和方法不同。這些模型實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)受到技術(shù)和適用領(lǐng)域的限制（圖3）。

圖3 基于公式的模型

4 總結(jié)與反思

目前，色彩調(diào)和領(lǐng)域廣泛采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，通過大規(guī)模數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型學(xué)習(xí)色彩關(guān)聯(lián)和規(guī)律。各種調(diào)和模型有各自的規(guī)則和適用領(lǐng)域，如二色、三色、五色，并且主要應(yīng)用于三維色彩體系，其中CIELAB 色彩體系被廣泛使用。雖然最新研究得到了很大提升，但缺乏對(duì)其準(zhǔn)確性的實(shí)證研究。不同模型可能導(dǎo)致結(jié)果不一致性，缺乏統(tǒng)一通用色彩調(diào)和模型，這是需要關(guān)注的重點(diǎn)。并且顏色特性不僅限于三個(gè)維度。因此，也需要進(jìn)一步關(guān)注如何利用新技術(shù)打破三維空間的局限性。