解碼色彩：剖析數(shù)字圖像處理對色彩模型的多維抉擇

榮安琪 李冠羽

摘 要：隨著人工智能的全面爆發(fā)，如何將圖像數(shù)字化也成為熱點話題。在編程語言中處理顏色時，會遇到專業(yè)的術(shù)語（顏色模型、顏色空間和顏色配置文件）來描述顏色在色譜中的位置。研究旨在探究在數(shù)字圖像處理中選擇最佳色彩模型的難點，并分析不同色彩模型之間的差異。研究得出結(jié)論，選擇最佳色彩模型仍然是彩色圖像處理中的挑戰(zhàn)之一。設(shè)計研究者需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，仔細評估不同色彩模型的特點，并選擇最適合的模型。此外，未來的發(fā)展趨勢包括結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)和交互式技術(shù)，進一步提升色彩模型的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：色彩模型；數(shù)字圖像處理；色彩空間轉(zhuǎn)換；設(shè)計應(yīng)用；數(shù)字色彩

Abstract： With the rise of artificial intelligence， the digitization of images has become a prominent topic. Programming languages introduce specialized terms， namely color model， color space， and color profile， to describe the positioning of colors within the color spectrum. This study aims to investigate the challenges involved in selecting the optimal color model for digital image processing while analyzing the disparities among various color models. The study concludes that selecting the most suitable color model remains a significant challenge in the realm of color image processing.Design researchers are advised to meticulously evaluate the attributes of different color models and opt for the model that aligns with specific application scenarios and requirements. Furthermore， future trends may involve integrating artificial intelligence， big data， and interactive technologies to further enhance the application of color models.

Keywords： Color model；digital image processing；color space conversion；design applications；digital color

0 引言

縱觀歷史，藝術(shù)家和科學家們用各種不同的模型來描繪光譜，目的是把抽象概念的光譜轉(zhuǎn)化為易于理解的形式。近年來，人工智能的熱潮帶動了數(shù)字圖像處理，對圖像的感知、理解和處理成為了各個領(lǐng)域的關(guān)注重點。目前數(shù)字圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域主要為醫(yī)學影像學、遙感學、數(shù)字攝影、多媒體、計算機圖形和計算機視覺。在圖像處理中，色彩模型能夠提供不同顏色空間下的數(shù)字信息，幫助識別和分析圖像中的特定顏色區(qū)域。視網(wǎng)膜上的錐體可以捕捉到短、中、長波長的光線，這些光線對藍、綠、黃綠光最為敏感，為紅、綠、藍（RGB）圖像提供了定性基礎(chǔ)。色彩模型在計算機領(lǐng)域的分析及應(yīng)用已相對成熟，但對于設(shè)計學來說還有待探索，本研究旨在從設(shè)計學角度評估和選擇不同色彩模型從而幫助設(shè)計學者為色彩學分析提供科學依據(jù)。

1 色彩模型概述

色彩模型是描述和解釋色彩的概念性模型或理論模型。色彩空間是色彩模型的具體實現(xiàn)方式，它是基于一組規(guī)則和參數(shù)，利用數(shù)學函數(shù)將可見光譜范圍內(nèi)的各種顏色映射到數(shù)值或坐標空間中，以便在計算機、圖形設(shè)計、印刷、攝影等領(lǐng)域中進行顏色的處理、操控和呈現(xiàn)。同時，計算機可以將人類在色調(diào)和明度方面的表現(xiàn)可視化[1]。目前最流行的顏色模型為RGB（紅、綠、藍）顏色模型，它用不同的紅、綠、藍的色調(diào)來模擬所有的顏色。在當前的數(shù)字設(shè)計工具和編程語言中流行的色彩模型還有HSL、HSV、CIE L*a*b*等。每個模型都有其特定的方式來表示顏色，并在各個設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域中具有不同的用途和優(yōu)勢。通過使用色彩模型，可以量化解碼顏色，客觀分析色彩的使用需求。

2 色彩模型間的差異

色彩模型按光的物理性質(zhì)和人眼感知機制可分為物理模型和感知模型。基于物理學的色彩模型可以是加法的，它描述了光的混合（如RGB）[2]；或減法的，它描述了顏料的混合或光的去除（如CMYK）[3]。相反，通過人類感知的色彩模型是基于人類的經(jīng)驗或現(xiàn)象學，而不是基于顏色混合。每種色彩模型都有其獨特的特點和適用領(lǐng)域。選擇適當?shù)纳誓Ｐ腿Q于具體的應(yīng)用需求，如顏色準確性、感知一致性、數(shù)據(jù)壓縮效率和處理靈活性等。理解這些色彩模型之間的差異（表1）有助于選擇和應(yīng)用合適的模型來滿足特定的設(shè)計需求。

3 色彩模型選擇和轉(zhuǎn)換

本章將具體介紹各個色彩模型的特點和轉(zhuǎn)換過程。由于設(shè)計中最常用到的為RGB色彩模型，在下文的分析與轉(zhuǎn)換均以RGB值為例。

3.1 蒙賽爾色彩系統(tǒng)（Munsell）

蒙賽爾（Munsell）是一種用于描述和標準化顏色的系統(tǒng)，基于三個主要的顏色屬性：色相（Hue），色度（Chroma）和明度（Value）[4]。它是由美國藝術(shù)家和科學家阿爾伯特·亨斯特·蒙賽爾（Albert H·Munsell）于20世紀初開發(fā)的。蒙賽爾色彩空間的設(shè)計目的是提供一種可視、直觀且具有系統(tǒng)性的方法來描述顏色，使人們能夠準確地指定和比較不同的顏色。其中，色相分為5種原色（紅、黃、綠、藍、紫）和5種間色（黃紅、綠黃、藍綠、紫藍、紅紫），每個色相再被分為10種，共100個色相[5]；色度從中心徑向測量，代表顏色的“純度”，越低的色度越不純凈；明度表示顏色的亮度或明暗程度，用數(shù)字（0—10）表示（圖1）。

3.2 RGB色彩模型

RGB色彩模型是一種基于光的加法混色模型，用于表示和顯示彩色圖像。它是通過組合紅色（Red）、綠色（Green）和藍色（Blue）三種原色來生成各種顏色（圖2）。RGB色彩模型是計算機圖形學、數(shù)碼攝影和顯示技術(shù)中最常用的色彩模型之一。在RGB色彩模型中，每種原色可以使用0到255之間的整數(shù)值來表示。RGB色彩空間與設(shè)備相關(guān)聯(lián)，因此，不同的掃描儀在掃描同一幅圖像時可能得到不同的彩色圖像數(shù)據(jù)。雖然RGB是最常用的色彩模型，但是由于RGB無法獲取亮度信息，很少用于機器視覺。

3.3 CMY（K）色彩模型

CMY（K）色彩模型是一種基于顏料的減法混色模型，常用于印刷和打印領(lǐng)域。它以青色（Cyan）、品紅色（Magenta）、黃色（Yellow）和黑色（Black）作為基本顏色，通過疊加這些顏色的色料來混合并生成其他顏色（圖3）。每個顏色通道的取值范圍通常為0到1，表示各個顏色分量的相對濃度。當三個顏色通道的濃度都為0時，表示黑色；當三個顏色通道的濃度都為最大值1時，表示白色。

3.4 HSL和HSV色彩模型

HSL色彩模型中的色相（Hue）表示顏色的基本屬性，對應(yīng)于顏色在色輪上的位置。色相可以用0°到360°的角度值表示，其中0°對應(yīng)于紅色，60°對應(yīng)于黃色，120°對應(yīng)于綠色，180°對應(yīng)于青色，240°對應(yīng)于藍色、飽和度（Saturation）表示顏色的純度或強度。它的取值范圍通常為0到1，其中0表示灰度色（無色彩飽和度），而1表示最大飽和度的純色。亮度（Lightness）表示顏色的亮度級別。它的取值范圍通常為0到1，其中0表示黑色，而1表示白色（圖4）。

HSV色彩模型中的色相（Hue）與HSL相同，表示顏色的基本屬性。飽和度（Saturation）也表示顏色的強度，取值范圍為0到1。而明度（Value）表示顏色的明亮程度，取值范圍也為0到1。HSL和HSV之間的區(qū)別在于它們對最亮顏色的處理（圖5）。在HSL中，最亮的顏色對應(yīng)于純白色。相反，HSV通過模擬白光照射在彩色物體上的效果來接近最亮的顏色。例如，在HSV中，當一束明亮的白光照射在一個綠色物體上時，該物體保留了它的綠色外觀，同時變得更加明亮和鮮艷；而當一束昏暗的光線投射在HSV的綠色物體上時，它顯得更暗，更不明亮。

3.5 CIEL*a*b*色彩模型

CIEL*a*b*也稱為Lab色彩模型，它是由國際照明委員會（CIE）在1976年提出的，旨在提供一種以人類視覺感知為基礎(chǔ)的顏色表示方式。Lab采用三個坐標軸來表示顏色：L*表示亮度，取值范圍從0（黑色）到100（白色）；a*表示從綠色（負值）到紅色（正值）的色度；b*表示從藍色（負值）到黃色（正值）的色度。由于CIEL*a*b*是一個三維色彩空間，RGB需要先轉(zhuǎn)換為CIE XYZ值再轉(zhuǎn)換為CIEL*a*b*（圖6）。

3.6 YUV色彩模型

YUV是將顏色信息（色度）和亮度信息（亮度）分離的一種模型。亮度分量（Y）表示圖像的明亮程度，而色度分量（U和V）表示顏色信息。亮度分量（Y）覆蓋了全頻譜范圍，從黑色到白色，用于表示圖像的亮度級別。色度分量（U和V）則表示顏色在紅綠和藍黃兩個軸上的變化（圖7）。YUV色彩模型通常與彩色視頻編碼和傳輸相關(guān)。在許多視頻編碼標準（如MPEG）中，圖像通常在RGB色彩空間下進行采集，然后轉(zhuǎn)換為YUV色彩空間，通過壓縮和編碼處理，最后再轉(zhuǎn)換回RGB進行顯示。

4 色彩模型在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用

在設(shè)計領(lǐng)域研究中，Munsell等色彩模型的應(yīng)用涵蓋了服裝設(shè)計、建筑設(shè)計、廣告設(shè)計、包裝設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、印刷設(shè)計、平面設(shè)計、人機交互等多個方面。Munsell的研究為設(shè)計師提供了色彩配色分析以及色彩心理學系統(tǒng)等工具，有助于實現(xiàn)更好的視覺效果和情感共鳴（表2）；RGB在服裝色彩研究、廣告設(shè)計以及包裝色彩對消費意愿的影響等領(lǐng)域的研究中具有重要意義；CMY（K）廣泛應(yīng)用于印刷和出版領(lǐng)域，有助于設(shè)計師更好地處理報紙圖片的色彩管理，優(yōu)化出版物的色彩應(yīng)用，以及提供室內(nèi)設(shè)計調(diào)色板的指導和參考；HSL色彩模型基于人類感知和經(jīng)驗，提供了一種直觀且易于調(diào)整的色彩表示方式，其研究有助于設(shè)計師更好地理解服飾色彩的意象和表達，探索傳統(tǒng)建筑色彩的特點和應(yīng)用；深入研究HSV色彩模型在服飾、產(chǎn)品、包裝和室內(nèi)設(shè)計，以及通過城市色彩設(shè)計營造獨特的城市氛圍和品牌形象，有助于設(shè)計師實現(xiàn)色彩的和諧與表達；CIE L*a*b*色彩模型提供了一種無偏見的顏色表示方式，更貼近人類視覺感知，在美術(shù)作品質(zhì)量增強、網(wǎng)站圖片色彩復雜性以及建筑色彩和諧等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮著重要作用；盡管YUV色彩模型在設(shè)計領(lǐng)域的研究相對較少，但在人機交互和實時著色等方面的應(yīng)用仍具有一定的潛力。色彩模型在設(shè)計過程中起到了重要的指導和工具作用，設(shè)計師可以通過選擇合適的色彩模型來構(gòu)建配色方案，精準傳達情感，實現(xiàn)視覺效果等。當藝術(shù)設(shè)計想要達到良好的視覺效果時，不僅需注重創(chuàng)新、排版、字體等因素，更應(yīng)注重數(shù)碼色彩的表現(xiàn)。

5 色彩模型在設(shè)計學科的發(fā)展趨勢

色彩模型在設(shè)計學科的發(fā)展趨勢是向更細化、更綜合的方向發(fā)展。未來，色彩模型將更廣泛地應(yīng)用于設(shè)計研究中，以提供更深入的洞察和有效的設(shè)計方案，為設(shè)計師提供科學、準確和創(chuàng)新的色彩方案，推動設(shè)計學科的發(fā)展。具體可從以下六個角度探究色彩模型在設(shè)計領(lǐng)域的可能性：

（1）多學科交叉

隨著對色彩科學和感知機制的深入研究，設(shè)計學科將更加注重基于科學原理的色彩模型應(yīng)用。色彩模型將與設(shè)計學、心理學、經(jīng)濟學、神經(jīng)科學和認知科學等領(lǐng)域相結(jié)合，為設(shè)計師提供更準確、有意義的色彩選擇和操控方法。

（2）色彩大數(shù)據(jù)和機器學習

大數(shù)據(jù)和機器學習的發(fā)展，色彩模型將被用于分析和挖掘龐大的色彩數(shù)據(jù)。設(shè)計師可以利用色彩模型和算法來理解和預測人們對不同顏色和配色方案的偏好，從而指導設(shè)計決策和創(chuàng)意生成。同時，基于色彩模型的大數(shù)據(jù)集量化分析可以科學批量地解碼數(shù)字色彩，為研究配色方案提供了良好的底層邏輯。

（3）數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷進步，色彩模型在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用將更加便捷和準確。設(shè)計師可以利用色彩模型來進行數(shù)字色彩搭配、可視化設(shè)計和色彩管理等方面的研究和實踐。通過計算機輔助設(shè)計工具和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計師可以更直觀地探索和應(yīng)用不同的色彩模型。

（4）交互式和實時色彩操控

未來的設(shè)計工具和技術(shù)將更加強調(diào)交互性和實時性。設(shè)計師可以使用色彩模型和實時渲染技術(shù)，實時預覽和操控設(shè)計中的色彩效果，從而加速設(shè)計流程和決策過程。

（5）可持續(xù)性和環(huán)境意識

后疫情時代，可持續(xù)設(shè)計的興起，色彩模型在環(huán)境意識方面的應(yīng)用也將受到關(guān)注。設(shè)計師可以利用色彩模型來研究和選擇環(huán)境友好型的色彩方案，以減少資源消耗和環(huán)境影響。

（6）跨文化設(shè)計和色彩表達

近年來全球化的不斷深入，跨文化設(shè)計的需求越來越重要。但目前國內(nèi)外很少有研究探討顏色的跨文化影響。色彩模型可以科學系統(tǒng)地幫助設(shè)計師分析和了解不同文化對色彩的認知和偏好，從而創(chuàng)造出更符合不同文化背景的設(shè)計作品。

這些趨勢將推動色彩模型在設(shè)計研究中的應(yīng)用和發(fā)展。

6 結(jié)語

剛從疫情中走出來，我們就面臨人工智能對設(shè)計學科和設(shè)計教育帶來的巨大震撼，設(shè)計師們的未來又將如何發(fā)展？我們對于色彩的理解也不應(yīng)僅限于對色塊的主觀感知，而應(yīng)理解和分析顏色的數(shù)字信息。當色彩數(shù)據(jù)集足夠龐大時，可發(fā)現(xiàn)肉眼觀察不到的客觀規(guī)律。在科技的沖擊下，設(shè)計研究者更應(yīng)明白數(shù)字未來的重要性，色彩模型的研究和發(fā)展也不應(yīng)只在計算機領(lǐng)域推進，我們更應(yīng)結(jié)合計算機技術(shù)、設(shè)計學、心理學和色彩科學，開辟數(shù)字色彩在設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊前景。

7 參考文獻

[1]IBRAHEEM N A，HASAN M M，KHAN R Z，et al.Understanding color models：a review.ARPN Journal of science and technology，2012，2（3）：265-275.

[2]HIRSCH R.Exploring colour photography：a complete guide[M].Laurence King Publishing，2005.

[3]SHRESTHA V R，LEE S S，KIM E S，et al.Aluminum plasmonics based highly transmissive polarization-independent subtractive color filters exploiting a nanopatch array[J].Nano letters，2014，14（11）：6672-6678.

[4]CAO J D，WU X R，CHEN Y.The Stepwise Regression Model between Munsell Color Index and Clothing Pressure of Knitted TightFit Sports Pants[C]//Applied Mechanics and Materials.Trans Tech Publications Ltd，2011，58：243-248.

[5]KAYA N，EPPS H H.Relationship between color and emotion：A study of college students[J].College student journal，2004，38（3）：396-405.