基于三維色立體的計算機輔助色彩設計

摘要：通過分析現有色彩設計工具的研究現狀和不足，提出了一套基于色立體的產品色彩設計策略。討論了相關的關鍵技術：基于可視化色彩模型的自由選色；色立體調和規則功能函數實現的色彩調和；與色立體對應的色彩語義配置；體現色立體信息特征的色彩方案庫構建與管理。基于上述策略和技術開發了基于三維色立體的計算機輔助色彩設計系統框架。

關鍵詞：色立體； 可視化； 色彩語義； 色彩方案； 計算機輔助色彩設計

中圖法分類號：TP391．72文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01－0213－02

計算機輔助色彩設計（Computer Aided Color Design，CACD）主要是利用計算機輔助手段解決工業設計中的色彩設計問題。一般的設計軟件均有簡單的色彩設計輔助功能，在研究領域中也有大量的針對色彩設計方法和理論的研究，及針對這些研究開發的相應軟件系統[1~3]。然而，較之于利用傳統色體系配色的模式，基于RGB模型進行選色及色彩設計具有信息量繁多、色彩間沒有直觀聯系等不足；同時單純利用傳統色體系樣本選色又不能適應現代設計與制造的數字化需求。因此研究如何更好地利用傳統的色體系，并將傳統色彩設計理論及方法與現代計算機輔助設計相結合仍然是這個領域研究的熱點[4]。

1問題提出

仔細分析，現代未引入色立體概念的計算機輔助色彩設計主要存在以下問題：

(1)軟件系統中色彩模型缺乏直觀性。現在軟件中的色彩模型主要為RGB，CMYK，CIELab等，盡管這些模型包括的色彩域很廣， 但對于設計師來說，它們既不易感知到色彩與空間的關系，也很難掌握色彩的分布規律。

(2)對后繼色彩工藝要求嚴格。基于上述模型的色彩選擇，豐富了色彩方案中色彩的數目，但對色彩工藝技術要求更為苛刻，并比較耗費時間和能源。

(3)基于語義方法的色彩配置沒有與色立體聯系。有關色彩語義的研究主要是建立語義空間與色彩模板之間的對應關系[5]，沒有涉及將色彩語義空間與標準色體系之間建立對應關系的內容。 

(4)色彩設計知識重用沒有與色立體聯系。在相關文獻中對色彩方案庫已有很多的闡述[2]，但這些研究往往都是基于知識表達的研究，忽略了色彩方案的整體意向與色彩在色體系中的位置關系。

因此筆者在國家高技術發展計劃項目“面向行業典型產品的三維數字化設計專用系統及工具集” 關于計算機輔助色彩設計的研究中，針對以上問題進行了研究并研發了相應的色彩設計工具。

2系統設計

本系統選取了四種色彩體系，即孟塞爾色體系(Munsell’s Color System)、奧斯特瓦德色體系(Ostwald’s Color System)、日本色彩研究所色體系（Practical Color Coordinate System）和中國顏色體系（The Chinese Color System）作為研究對象，構建了四個系統模塊。系統結構如圖1所示。

整個系統以色立體為研究載體，在每個系統模塊下均有自己的模塊功能及子功能，其中功能模塊涵蓋了色彩設計的色彩選取、色彩調和、語義配色以及色彩方案管理四個方面的內容。

(1)色彩選取：在可視化的三維色立體模型上任意選擇色彩，并通過降維方法得到更多的色彩信息，最終以多種色彩模式的表達方式顯示色彩選取的結果。

(2)調和配色：用計算機輔助手段來實現色體系的調和規則，通過設定相應的調和條件及調和過程中條件實時調整獲得符合要求的色彩配置方案。

(3)語義配色：建立色彩體系坐標與色彩語義空間三坐標值的對應關系，用理性化手段表達感性化需求，通過感性語義描述直接得到符合要求的色彩。

(4)色彩方案管理：通過色彩提取、色彩匹配及色彩風格語義描述建立基于色立體標號標志的色彩方案庫，并可通過色彩語義辭典查詢色彩方案。

3系統實現及關鍵技術 

根據以上分析，本文基于CAXA平臺采用VC++和OpenGL開發工具建立了一套基于三維色立體的計算機輔助色彩設計系統。

3．1基于可視化色彩模型的自由選色

建立用于可視化編程的色彩體系數據結構如下（以孟塞爾色體系為例）：

基于降維顯示的可視化色立體自由選色是一種逐步求精的過程，首先由色立體的三維立體模型上表層某色塊的信息映射同色相的屬性頁信息及同明度的屬性頁信息，并以圖形的形式顯示，從而用戶可在圖形上精確選取色彩。最后的色彩選取結果除了自身的標號外還以多形式信息顯示，主要包括CIELab，RGB，CMYK及 HSV四種模式，以保證色彩的多用途使用。其中對應的各種色彩模式轉換主要以每個色塊的RGB及CIExyY值為原始數據，根據各個色彩模式之間的轉換關系分別建立相應的功能函數。

3．2調和配色實現

將各色體系的調和規則采用數理化的方法予以表達，并建立每一個調和規則與色彩標號之間的映射關系，進而確定對應于各調和規則程序的算法，并依據算法為每一項調和規則建立對應的功能函數。如圖3所示為奧斯特瓦德的色體系中同色相等白量調和（第一個字母均為n）。首先遍歷搜索色體系所用色彩中同色相的數據，然后繼續在這些數據中篩選出所有tab2=n的色彩信息，并按照序列排列以圖形化形式顯示。

具體色彩調和操作流程如圖4所示。用戶在經過初步調和限制條件的設定后，通過程序調用調和功能函數進行處理，并最終得到調和結果。系統中各色體系的調和流程基本與圖中所示一致，唯一不同的是每個體系對應的調和功能函數不同。

3．3基于語義空間的色彩配置

色彩的語義是一個多維的概念，即同一個色彩可由多個形容詞描述，但語義空間維數過多會使色彩與語義關系的確定變得異常復雜。因此在本文選定三個基本的色彩語義（清—濁、冷—暖、軟—硬），其中清濁基本與色彩的純度有關，軟硬主要與色彩明度有關， 而冷暖主要由色彩的色相決定[6]。根據這個結論便可以建立色彩上述的三個基本值與語義空間中三個坐標值的對應關系，從而確定色體系中各色塊在語義空間中的位置，如圖5所示。

圖5所示的Color1在語義空間中的坐標為（x，y，z）且對應于孟塞爾體系中的標號HV/C， 這樣就可以對任意的色彩給予基于三維語義的描述評價，也可以通過設定語義描述在色彩語義空間中選定色彩。

3．4色彩方案庫管理實現

通過色彩方案的提取將現有案例中的色彩抽象出來，然后將提取到的色彩利用色彩匹配功能取得對應于孟塞爾色體系中的標號，最后添加色彩風格語義描述完成建庫。其中色彩匹配的實現：首先獲取要匹配色彩的RGB值并將其轉換為HVC的值，再將HVC的值與孟塞爾色體系中的標準符號比較。如果沒有恰好與之相符的，則采用內插值法來確定與要匹配色彩最接近的標準色彩標號。

對色彩方案的查詢主要是依據建庫時建立的方案庫與風格語義辭典的關聯，通過查詢風格語義辭典搜索色彩方案數據庫中所有符合條件的色彩方案，最終將含有語義描述信息及色彩標準標號的結果顯示出來，從而有效地進行設計知識的重用，提高設計效率。

3．5與CAXA平臺集成

最后利用實體造型軟件CAXA提供的開發向導ICAPI App￣Wizard將系統集成到平臺上。圖6為集成到CAXA平臺后的系統界面圖。

4結束語

本文研究了幾種典型色立體的特點及其配色理論，討論了色立體可視化的實現技術，并將一些實用的色彩設計方法，基于語義的配色、色彩調和及色彩方案知識重用等技術與色立體有機結合，完成了基于三維色立體的計算機輔助色彩設計原型系統的開發。該系統充分利用三維色立體的特點，更加符合設計師的感知與配置色彩的習慣，而且利用標準色體系中的色彩配色有利于色彩工藝的實現，從而有效地提高了色彩設計的效率與質量。

參考文獻：

［1］蔡波，陸長德，余隋懷，等.計算機輔助色彩設計系統的構造方法研究［J］.西北工業大學學報，2000，18(3):487490.

［2］苑寅秋，王珉，左敦穩.面向機電產品的色彩設計專家系統(CSES)框架研究［J］.小型微型計算機系統，2001，22(3):376378.

［3］王可，陸長德，樂萬德，等.基于Lab均勻色彩空間的色彩調和系統［J］.西北工業大學學報，20-04，22(6):694698.

［4］石源.計算機輔助產品色彩設計工具集的研究［D］.西安:西北工業大學，20-04.

［5］張妍. 基于語義空間的產品色彩設計系統的研究與實現［D］.西安:西北工業大學，2003.

［6］張憲榮，張萱.設計色彩學［M］.北京：化學工業出版社，2003.

作者簡介：

姚小清（1981），女，河北唐山人，碩士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業設計； 陸長德（1938），男，博導，主要研究方向為工業設計；茍秉宸（1967），男，博士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業設計；周憲，男，碩士研究生，主要研究方向為計算機輔助工業設計。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文