森林色彩三要素獨立變化對觀賞效應的影響*

秦一心　方　亮　張　龍　史久西　王　斌

1　內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院　呼和浩特　0100192　中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所　杭州富陽　311400

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森林色彩三要素獨立變化對觀賞效應的影響*

秦一心1方亮1張龍2史久西2王斌2

1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院呼和浩特0100192中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所杭州富陽311400

摘要：色彩是色相(H)、純度(S)、明度(B)三要素的組合，森林色彩研究中通常采用這個組合指標，但缺乏對三要素獨立效應的深入認識。文中以典型森林色彩景觀圖片為基礎(chǔ)，在畫面形象固定不變的前提下，設(shè)置色相、純度、明度色彩三要素變化梯度，開展單因素控制試驗，研究分析色彩三要素獨立變化的觀賞效應。結(jié)果表明：色相、純度、明度色彩單因素變化與觀賞效應的相關(guān)性均達到極顯著水平(P<0.01)。觀賞性隨色彩單因素的變化遵循二次曲線(R2>0.8321)分布，三要素梯度序列中存在觀賞性最佳的圖片——基準圖片。隨著處理水平不斷偏離中央基準狀態(tài)，觀賞性不斷降低，且明度、純度向降低方向，色相往偏紫方向變化，引起的觀賞效應降低更為顯著。色彩三要素中影響效果最顯著的是明度變化，其次為純度，最后為色相，明度的影響約是色相的3.25倍、純度的1.34倍。色彩三要素的最佳觀賞范圍為：色相22°～226°，純度35%～70%，明度37%～78%。基準圖片所帶來的觀賞感受最舒適，向綠色方向變化的圖片給人以寧靜、冷淡之感，向紫色方向變化給人以神秘、華麗和興奮之感。

關(guān)鍵詞：森林色彩，色彩三要素，變化，觀賞效應

色彩作為影響森林觀賞效果的重要因素之一，其特點是直接、鮮明且具有豐富的表現(xiàn)力，不同色彩要素的組合和對比會帶來不同的觀賞感受，影響森林的觀賞效應[1-3]。色彩是色相(H)、純度(S)、明度(B)三要素的組合，三者具有相對獨立又相互依存、不可分割的緊密關(guān)系。色相是區(qū)別不同色彩的名稱，是色彩賴以存在的基礎(chǔ)；明度是指色彩的明暗程度，是色彩形成的基礎(chǔ)與骨骼，也是人眼最敏感的色彩特征；純度是指色彩的鮮艷程度，會影響色彩的相貌及品格，同時也具備協(xié)調(diào)畫面的視覺功能[4-6]

色彩研究所涉領(lǐng)域廣泛，藝術(shù)色彩研究的歷史悠久，迄今已建立起成熟的理論與方法，色彩系統(tǒng)便是杰出成果之一。色彩系統(tǒng)是色彩量化分析的基本工具，一些國際上常用的色彩系統(tǒng)包括美國蒙塞爾系統(tǒng)(MUNSELL)、德國奧斯瓦爾德系統(tǒng)(OSTWALD)、日本色彩研究配色應用體系(PCCS)等[7]。中國流行色色案以Pantone色彩體系為量化依據(jù)，可應用SPSS統(tǒng)計軟件進行色案特征分析[8]。IT領(lǐng)域?qū)ι实牧炕磉_與運算獨樹一幟，迄今已有多種量化算法，如：基于圖像直方圖中的信息進行量化、采用數(shù)值判據(jù)判別原色彩和量化色彩之間的差別、限制最大色彩偏差、基于聚類分析進行色彩量化等[9-13]。色彩認知對人類心理和情緒所產(chǎn)生的影響長期以來被心理分析學者所關(guān)注，這一歷史可以追溯至弗洛伊德對色彩和藝術(shù)家心理間所產(chǎn)生的相互作用的研究[14]。19世紀德國生理學家赫林首創(chuàng)心理學原色理論，指出青與黃、紅與黃、黑與白是影響人的感覺、情緒和思想的原色；魯?shù)婪颉ぐ⒍骱Ｄ?Rudolf Arnheih)運用格式塔心理學分析視覺藝術(shù)，將心理研究納入視覺知覺心理研究的科學系統(tǒng)中；日本色彩學家小林重順運用色彩圖像指標從事色彩心理學方面的研究，拓寬了色彩學的研究范圍和應用領(lǐng)域[15-18]。

森林色彩的形成是基于森林植物群落分布與森林景觀的季相變化所形成的，不同植物群落格局會形成不同的森林色彩格局，不同季節(jié)森林景觀也會呈現(xiàn)出不同的色彩變化。森林色彩的評價研究常包含于森林美學評價，以美景度評估法(scenic beauty estimation,簡稱SBE)為代表，色彩作為構(gòu)景因子之一，常以色彩豐富度、色彩指數(shù)等定性、半定量指標納入評價模型[19-21]，色彩指標包含了色相、純度、明度三者的混合信息，對于HSB獨立影響森林色彩的觀賞效應還缺乏認識。

本文嘗試借助藝術(shù)與IT等領(lǐng)域有關(guān)色彩量化、要素分解、觀賞心理分析等方法和手段，通過色彩單因素控制試驗，揭示HSB對觀賞效應的單獨影響規(guī)律，以期為今后進一步開展色彩要素綜合影響研究提供必要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

根據(jù)色彩類型、數(shù)量、格局分布等信息的不同表達，選取不同地區(qū)不同季相成熟穩(wěn)定具有代表性的景觀林圖片樣本24張，作為研究所需的原始圖片樣本，參考正交試驗法，分別設(shè)置色相、純度、明度為實驗三因素，每因素設(shè)五水平，即五個變化梯度，制作試驗圖片，總計360張。由圖片形成的因素——水平組合變化為一個重復，共24個重復。

1.2 水平設(shè)置

每張圖片分綠色基底和色彩兩個區(qū)域，其中綠色基底不做處理，對色彩區(qū)域進行單因素變化處理。處理以保持視覺真實性為原則，確定邊界，然后以原始圖片為中心，向上(明度、純度增加、色相傾向綠色)、向下(明度、純度降低、色相傾向紫色)各兩等份，每個等分點及原始圖片各設(shè)為一個水平，共五水平。以原始圖片為基準(對照)，處理水平為0。向上變化到極限的HSB組合為Hmax，Smax，Bmax；設(shè)置處理水平為2。向上變化到中間點的HSB組合為Hmax/2，Smax/2，Bmax/2；處理水平為1。同理設(shè)置兩個向下處理水平分別-2(Hmin，Smin，Bmin)和-1(Hmin/2，Smin/2，Bmin/2)。

1.3 色彩提取

選擇線性色彩空間HSB作為色彩空間，對360張圖片樣本，分別提取色彩區(qū)域的色彩信息[22]，包括色塊數(shù)量(設(shè)定為10)、每個色塊的十六進位編碼(Hex)、色彩三要素HSB(Hue、Saturation、Brightness)值以及色塊所占面積(%)。其中，H取值范圍為0-360°，S為0-100%，B為0-100%。色彩信息利用ColorImpact軟件提取。同時，針對每個色塊的HSB值，求取其與面積的加權(quán)平均值，作為后繼運算的基本數(shù)據(jù)。

1.4 觀賞效應評價

采用SBE評價法，將已處理好的圖片分為24個大組(重復)、每大組3個小組(因素)，每小組5張圖片(水平)制作成一幅幻燈片，共72幅，進行幅內(nèi)(即水平間)比較評價，評判時間設(shè)為每幅幻燈片1.5分鐘。利用李克特(LIKERT)五分量表法設(shè)計評價標度，將1-5分標度定義為：很差、差、一般、好、很好。借鑒色彩心理學中將心理感受詞匯與相關(guān)色彩對應的方法[23]，進行色彩色相的觀賞心理評價。設(shè)計規(guī)范化描述語言,如：明快、活力、天真、熱情、興奮、華麗、恬靜、柔和、樸實、凝重、陰郁、冷淡、神秘、邪乎、恐怖、潔凈、骯臟等,要求評判者做出選擇，可同時多選。

本次研究發(fā)放調(diào)查問卷共325份，有效收回率94.5%。本研究評判者分為學生組與非學生組，學生組中林學及相關(guān)專業(yè)學生60人，非相關(guān)專業(yè)學生60人，其中本科學歷94人，碩士學歷23人，博士學歷3人；非學生組來自隨機選取的城市及農(nóng)村居民205人，其中男性93人，女性112人。數(shù)據(jù)分析顯示，不同身份、職業(yè)被調(diào)查者的調(diào)查結(jié)果并無顯著差異。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

應用SPSS20.0軟件，通過單因素方差分析法和最短顯著極差法(shortest significant ranges ，SSR)分析色彩三要素的變化對林相觀賞效應影響的差異顯著性，用雙變量Pearson相關(guān)系數(shù)分析相關(guān)性[24]。采用偏相關(guān)分析法，在其他兩個色彩要素為控制變量的前提下，分析單一色彩要素變化與林相觀賞效應之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素不同處理水平的觀賞效應

根據(jù)不同處理水平對觀賞效應的影響進行方差分析，結(jié)果見表1。單因素不同處理水平對觀賞效應的影響均顯著(P<0.01)，水平內(nèi)對觀賞效應的影響不顯著，表明試驗設(shè)計突出了水平間的作用而限制了水平內(nèi)的影響，達到預期目標。

表1　現(xiàn)行規(guī)范中的綠地系統(tǒng)指標

色彩不同要素、不同處理水平的觀賞效應得分統(tǒng)計見表2。色彩三要素試驗樣本中均存在觀賞性最好的圖片，即原始圖片，隨著處理水平不斷偏離中央原始狀態(tài)，觀賞性也不斷降低，且兩相鄰處理水平間觀賞效應差異均為顯著，表現(xiàn)出一致的規(guī)律。表2中觀賞效應百分值相當于評價結(jié)果的百分制得分，以色相為例，-2，-1，0，1，2五個處理的效應值分別為36.19，68.67，100，82.60，59.40分，從這個序列可見，基準圖片左右兩側(cè)對應位置(-2與2，-1與1)的得分不同，左側(cè)顯著低于右側(cè)，表明加強紫色傾向相比于加強綠色傾向，更容易引起觀賞效應下降。純度、明度的變化也有類似結(jié)果，即降低比提高更容易引起觀賞效應下降。

表2　色彩三要素不同處理水平觀賞效應得分

注：數(shù)值為得分平均值±標準差；同行不同小寫字母表示在0.01水平上差異顯著。

2.2 單因素變化——觀賞效應曲線擬合

為進一步揭示色彩不同要素、不同處理水平對觀賞效應影響的數(shù)學規(guī)律、兩者關(guān)系的密切程度，將觀賞效應評價值作為因變量Y，圖片平均明度、色相、純度變化分別作為自變量X，進行單因子曲線回歸，所得最優(yōu)的均為二次曲線(圖1)。圖1形象顯示了隨著處理水平不斷偏離曲線中央，觀賞性不斷降低的趨勢。曲線擬合效果良好(R2>0.8321)，表明色彩單因素變化與觀賞效應之間有著密切的關(guān)系，單因素試驗具有一定統(tǒng)計意義。但未達到完全擬合的精度(R2接近1)，表明試驗因素與控制因素之間可能存在某種關(guān)聯(lián)，從而綜合影響觀賞效果。同時，色相、純度、明度與觀賞效果3個擬合曲線的回歸決定系數(shù)略有不同，分別為純度(0.8873)>色相(0.8613)>明度(0.8321)，意味著因素獨立性也是不同的。

圖1　觀賞效應單因素變化曲線

計算得到基準圖片的平均HSB值為124/53/57。由圖1可知，相對于基準圖片(Y軸)，H，S，B最佳觀賞位置(曲線頂點)均有小幅右移，其中純度的右移最為明顯，最佳觀賞值在57+4.6379%處,色相的右移最不明顯，在124+0.9167°處，明度介于兩者之間，在53+1.1026%處，表3。

不同色彩要素影響觀賞效應的敏感性也有差異。根據(jù)二次曲線的性質(zhì)，開口越大，自變量對因變量的影響越大。由圖1、表3可見，明度曲線的開口最小(a=-0.0039)，純度其次(a=-0.0029)，色相最大(a=-0.0012)，可見明度變化對觀賞效應的影響最為敏感，其次是純度，最后是色相。從二次項系數(shù)比例看，明度對觀賞效應的影響約是色相影響的3.25倍，約是純度的1.34倍。

2.3 色彩三要素作用機制分析

色彩三要素之間是相互影響、相互依存的關(guān)系，其中一個要素的改變會引起其他兩個要素的相應變化，同時影響整體畫面的觀賞性。取色相、明度、純度單因素試驗結(jié)果分別作為分析數(shù)據(jù)集，進行三要素之間的Pearson相關(guān)、三要素與觀賞效應之間的二階偏相關(guān)分析，結(jié)果匯總見表4、表5。

由表4可知，色相、純度、明度之間的相關(guān)性為極顯著(P<0.01)且均為正相關(guān)，即色彩明度增加，有提高純度、增加綠色傾向的作用；純度提高，也有增加畫面亮度，增強綠色傾向的效果，反之，明度(純度)降低，則有促進純度(明度)降低，畫面變暗，紫色傾向加強的作用。

表3　觀賞效應單因素變化曲線的頂點坐標

表4　色彩三要素變化相關(guān)性

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

表5　色彩三要素變化與觀賞效應二階偏相關(guān)性

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

由表5可見,當控制兩個色彩要素時，另一個要素的變化與觀賞效應之間依然均為極顯著負相關(guān)(P<0.01)，觀賞效應隨色彩三要素變化幅度的增大而降低。從表4與表5可知，明度與其他兩個色彩要素相關(guān)性最大，與觀賞效應的簡單相關(guān)性最大，但二階偏相關(guān)最低，這表明明度是一個綜合性更強的要素，通過其他要素而綜合影響觀賞效應。從綜合效應看，明度的影響最為顯著，其次為色相，最后為純度。

統(tǒng)計結(jié)果還顯示，當色彩色相、明度、純度分別為試驗變量，其他兩個色彩要素為影響因素時，試驗變量的變化范圍較大(20%～60%)，而影響因素的范圍較小(5%～20%)，說明試驗設(shè)計基本上達到了控制相關(guān)變量、突出目標變量的目的。

2.4 色相變化與觀賞感受

根據(jù)色彩心理學研究，不同色相會使人產(chǎn)生不同的心理感受[24-25]。森林色彩是一種有著生命活力的色彩，其觀賞感受如何呢？本研究對觀賞心理的評判選項進行簡單頻數(shù)統(tǒng)計，取頻率10%以上者參與計算，計算結(jié)果顯示，基準圖片給人的感受以柔和樸實為主，綠色傾向圖片的感受以冷淡、寧靜為主，紫色傾向則以神秘、華麗、興奮為主，與其他物質(zhì)材料的色彩觀感基本一致。

2.5 最佳觀賞范圍

以基準圖片為標準提取所有色塊，計算HSB，按H=124+0.9167°、S=57+4.6379%、B=53+1.1026%右偏處理，從低到高排序，獲得HSB變化范圍代表森林色彩最佳觀賞范圍，分別為22°～226°，35%～70%和37%～78%。最佳觀賞范圍包含了無窮的色彩組合，通過以HSB值22-226/70/78，22-226/35/78，22-226/70/37 ，22-226/35/37為例分別制作色輪，可以得到最佳觀賞效應的極端色彩。當色彩三要素取值超過此范圍，即過高或過低時觀賞效應都會降低。

色輪制作結(jié)果還可直觀顯示明度變化效應顯著于純度變化效應,如色輪純度升高，明度不變，視覺感受變化較小，而明度升高，純度不變，視覺感受變化較大。這說明色相決定色彩的屬性，純度與明度決定色彩的品質(zhì)，明度變化對于畫面視覺感受影響較大，而純度影響較小，在實際應用中應更加注重對于色彩明度的調(diào)整與利用。

3 結(jié)論與討論

3.1 森林色彩三要素獨立變化試驗結(jié)論

HSB單因素梯度變化與觀賞效應均成極顯著相關(guān)(P<0.01)。梯度序列中，觀賞性最佳的圖片是原始圖片，隨著處理水平不斷偏離中央原始狀態(tài)，觀賞性也不斷降低。其中色彩明度變化所引起的觀賞效應變化最為強烈，其次為純度變化，最后為色相變化。明度對比是色彩構(gòu)成中最重要的因素，從單因素變化的觀賞效應看，明度的影響是色相的3.25倍，是純度的1.34倍，與藝術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究結(jié)果類似[26]。觀賞效應隨處理水平的變化符合二次曲線，擬合效果良好(R2>0.8321)，表明單因素試驗具有一定統(tǒng)計意義。

色相是反映色彩不同品質(zhì)與形象的要素，色相的變化將引起色彩性質(zhì)的變化，從而影響觀賞心理。基準圖片所帶來的觀賞感受最舒適、觀賞效應最好，同時向綠色方向變化與向紫色方向變化的圖片感受明顯不同，向綠色方向變化的圖片給人以寧靜、冷淡之感，向紫色方向變化給人以神秘、華麗和興奮之感，與色彩心理學所的研究結(jié)果相似。

森林觀賞效應隨目標要素離基準值距離的增大而降低，每組圖片中的基準圖片所得評分最高，觀賞性最強。色彩三要素的最佳觀賞范圍為：色相22°～226°，純度35%～70%，明度37%～78%。色彩三要素最佳觀賞范圍居于其分布范圍的中等水平，色彩對比較為柔和時其觀賞性最強，色彩三要素過于偏高或者偏低均無法得到較好的觀賞感受。

試驗結(jié)果顯示，目標因素的變化與觀賞效應均成極顯著相關(guān)，其他兩個色彩要素的變化與試驗因素成極顯著相關(guān)(P<0.01)，但在控制條件下，其變化幅度顯著低于目標因素，對整體畫面觀賞效應的貢獻有限。可見，試驗要素為主要影響因素，影響整體畫面的變化進而影響觀賞效應的變化，其他兩個要素為輔助影響因素，色彩單因素控制試驗方法可行。

3.2 森林色彩觀賞效應討論

森林作為有生命的景物，色彩變化和觀賞感受受到環(huán)境與季節(jié)的影響，因此更加復雜也更加敏感。在進行彩色植物材料選擇配置森林色彩時，應遵循寧亮勿暗，寧綠勿紫的原則，選用色彩明度與純度相對較高、偏向暖色系的植物；相比于灰暗、紫色傾向的植物更有利于保持森林景觀的觀賞性，如色彩鮮艷的樹種(如三角楓、野漆樹、山烏桕)[27]，其觀賞效應要優(yōu)于色彩灰暗的樹種(如部份楓香、水杉)；明度較高的黃色系樹種(如銀杏、無患子)，優(yōu)于明度較低的紫色系樹種(如紫葉李)。在森林色彩景觀營造中，應根據(jù)不同場合和目標運用不同的方案，如要營造靜謐環(huán)境，應以綠色植物為主，色彩數(shù)量不宜豐富，以給人安全、寧靜之感；繁華之處可以應用偏向紫色、紅色、黃色的暖色調(diào)植物，同時適當調(diào)整色彩豐富度，給人以華麗、興奮之感。

本研究旨在通過色彩單因素控制試驗，揭示色相、純度、明度因子對觀賞效應的單獨影響規(guī)律，僅僅是色彩現(xiàn)象分析研究的一個方面。然而，影響色彩觀賞效應的原因十分復雜，需要進行分析與綜合多方面的研究才能獲得最終成果。關(guān)于森林色彩三要素對觀賞效應的綜合影響、森林色彩格局分析以及森林色彩可量化模板的提取與建設(shè)都有待進一步研究。

色彩是影響森林景觀觀賞效果的重要因素之一，合理的色彩搭配能營造豐富多彩、令人愉快的森林景觀，而色彩搭配主要通過樹種的配置來體現(xiàn)，樹種配置不當直接影響色彩搭配的最終效果。本研究中基準圖片均取自于已經(jīng)成熟穩(wěn)定的景觀林，因此具有較高的借鑒價值?？蓪⑵渖驶拘畔⑴c色彩格局進行量化形成模板，對應相應的樹種組合，以期為今后的林相建設(shè)與改良提供良好的依據(jù)。

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Aesthetic Effects of Individual Variation of Three Forest Color Elements

Qin Yixin1Fang Liang1Zhang Long2Shi Jiuxi2Wang Bin2

(1.Forestry College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China;2.Research Institute ofSubtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Hangzhou 311400,Zhejiang, China )

Abstract:Color is combination of three elements of hue (H), saturation (S), and brightness (B). This combined indicators are commonly adopted in the research on forest color and however there is no thorough study on the individual effects from the three elements.The study carried out the individual element control experiments by using typical forest color landscape pictures and setting up gradients of variation of H, S and B on the precondition that there is no change of the base, with the aim to analyze the aesthetic effects of the individual variation of the three elements of color. The results showed that aesthetic value is significantly correlated (P<0.01) to the changes of individual color elements of H, S and B. Aesthetic value is correlated linearly with individual color element change via quadratic curve (R2>0.8321),and a best aesthetic image, i.e., base image, is obtained from the ordering of the gradients of three color elements; further processing shows that aesthetic value gradually degrades if any color element varies from the base image. The degradation is more noticeable, and when brightness and saturation are lowered, and hue goes toward purple. Of the three color elements, brightness affects aesthetic value the most, followed by saturation and hue. Brightness has the effect approximately 3.25 times of hue and 1.25 times of purity. For the best aesthetic value the three elements of color should fall in the following ranges of hue 22°～226°, saturation 35%～70% and brightness 37%-78%. The base image brings the most comfortable visual effect. The images with more green bring people with calm and serenity, while those with more purple are visually more mystical, magnificent and stimulating.

Key words:forest color, three elements of color, variation, aesthetic effect

收稿日期：2015-12-29

*基金項目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“美麗城鎮(zhèn)森林景觀的構(gòu)建技術(shù)研究與示范”(201404301)；中國林科院中

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.03.006

央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目“生態(tài)風景林色彩量化分析與配置技術(shù)研究”(RISF2014009)作者簡介：秦一心(1989-)，女，在讀碩士研究生，研究方向為城市林業(yè)。E-mail:qinyixin1225@163.com
通信作者：方亮(1958-)，男，教授，碩士生導師，研究方向為森林培育理論與技術(shù)。E-mail:fang1958@163.com