基于色彩理論的核電站人機接口顏色方案

顧吉青

（國核自儀系統工程有限公司，上海 200241）

0 引言

顏色是人的視覺系統對光譜中可見區域的感知效果，是視覺和審美的核心，深刻地影響著人們的認知和情緒。從設計心理學角度看，人們在感受周圍環境的時候，首先注意到的是物體的顏色，然后才會注意到物體的形狀等其他因素。人類對于不同的顏色，在感受程度上存在差別。人機接口（HSI）設計的顏色方案中，應綜合考慮多方面的影響因素。本文基于色彩理論，結合顏色的CIE Luv和Yuv的色差計算，給出了符合標準要求的HSI顏色方案。

1 色彩理論

1.1 三色理論

1860年德國人赫爾姆霍茲提出了一個顏色視覺的生理學理論，即三色理論。該理論認為人的視網膜上有3種基本的顏色感覺纖維，即紅色纖維、綠色纖維和藍色纖維，3種纖維不同程度興奮的比例關系決定人們所看到的是什么顏色。

1.2 孟塞爾顏色體系

1905年美國人孟塞爾創建了孟塞爾顏色體系，他把物體表面色的3種基本屬性——色調、明度、彩度用一個三維空間表現出來，并按人的視知覺特性對它們分別進行等距排列，以此用來對顏色進行分類和標定。

由于孟塞爾顏色體系以三色理論為依據，在編排上注意到人的視覺特性，又將顏色的3個屬性加以直觀形象地展示，使顏色工作者容易理解掌握。因此，孟塞爾顏色體系是目前諸多顏色體系中使用廣泛、影響較大的一種，NUREG 0700中的顏色編碼也是基于該體系。

1.3 色彩空間

顏色僅存在于人的眼睛和大腦中，為了準確地描述顏色，西方色彩學中首先引入了色彩空間的概念。通過建立多種色彩模型，以一維、二維、三維甚至四維空間坐標表示某一色彩，這種坐標系統所能定義的色彩范圍即色彩空間。

本文色差計算中使用到的色彩空間主要有XYZ色彩空間、Luv色彩空間和Yuv色彩空間。

1.3.1 XYZ色彩空間

CIE 1931 XYZ色彩空間是最先一個采用數學方式定義的色彩空間，它由國際照明委員會（CIE）于1931年創立。根據三色理論，原則上只要3個參數便能描述顏色感覺。

在三色加色法模型中，如果某一種顏色與另一種混合了不同份量的三種原色的顏色，均使人類看上去是相同的話，即把這3種原色的份量稱作該顏色的三刺激值，用X、Y和Z表示[1]。

1.3.2 Luv色彩空間

Luv色彩空間全稱CIE 1976 Luv色彩空間，L表示物體亮度，u和v是色度。于1976年由國際照明委員會提出，簡單變換CIE XYZ空間得到[1]。

1.3.3 Yuv色彩空間

Yuv是被歐洲電視系統所采用的一種顏色編碼方法，Y表示明亮度，也就是灰階值；而u和v表示的則是色度，作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色，采用Yuv色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號u、v是分離的。

2 標準要求

NUREG 0700、EPRI 1008122、IEC 60073和 IEC61772都對HSI設計中顏色編碼的要求做過大量的描述，但是不管是美國體系內的NUREG 0700和EPRI 1008122，還是歐洲體系內的IEC 60073和IEC 61772，顏色編碼使用的基本原則都是一致的，下文給出了這些原則。

2.1 一致性

混亂、無規則地使用顏色編碼將會導致信息無法理解，也會降低用戶識別或快速識別重要信息的可能性。因此，所有類型的畫面中應使用一致的顏色編碼，并且該編碼方式應與電站內其它HSI也保持一致。

同時，不同的顯示設備（如LED、LCD）有著不同的色彩呈現，必須確保顏色的顯示在用戶看起來是一致的，尤其是對于相似的顏色（如黃色/橙色/琥珀色等）。理想情況是能在操作環境的周圍照明條件下，確保顏色的一致性。

2.2 適用性

在使用顏色表示不同的含義時，若顏色的種類較多，會嚴重影響用戶的認知，理想情況應使用不超過6種顏色[2]。但是在具體的工程設計中，由于需要表達的信息量大，且復雜多樣，不得不使用超過9種顏色，此時可使用9種飽和色表示重要的信息，如用于報警系統，根據報警優先級的不同，分別選用不同的飽和色表示，同時在報警狀態清除時，也通過如顏色或亮度的變化指示出來。

對于沒有重要含義的信息，如背景色，應選用對其它顏色干擾較小的中性色表示。選定的9種主要顏色之間的CIE Luv色差應超過40個單位[2]。

2.3 差異性

相近的顏色在組合使用時，人的視覺系統容易混淆，不易區分。組合顏色應提供充分的對比，如使用一個單一的，不使人分心的顏色作為所有畫面的背景，優先考慮黑色和灰色的顏色組合。當彩色符號和圖標與背景亮度相似（例如，紅色背景上的藍色或綠色符號和圖標）或顏色選擇缺乏對比度時，將引發很多問題，甚至會導致錯誤。

因此，顏色組合使用時應優先考慮使用光譜距離相距較遠，對比度相差較大的顏色組合。選定的組合顏色之間的Yuv色差應超過100個單位[2]。

2.4 非獨立性

由于用戶中可能存在某些程度的色盲，且對于顯示硬件VDU來說，隨著時間的推移分辨率可能會逐漸降低，同時，還存在周圍照明條件影響用戶感知的問題，因此顏色編碼宜作為其它編碼機制的冗余，避免單獨使用，須與其他編碼方式組合使用，如對象形狀的改變、位置的變換、閃爍等[3,4]。

3 色差計算

3.1 CIE Luv色差計算

針對2.2章節的適用性要求，以核電行業中常用的紅色和黃色為例，計算如下：

3.1.1 RGB值歸一化

紅色和黃色的RGB值分別取（255，0，0）和（255，255，83）。公式（1）將RGB值轉換到[0，1]的坐標軸上，經計算得：

3.1.2 Gamma校正

公式（2）中γ值為1時，對應一個理想的顯示器，具有從完美的白色通過灰色到黑色的連續的線性漸變效果，但是理想的顯示設備是不存在的。電腦顯示器是非線性的設備，本文中根據美國國家電視標準委員會NTSC的視頻標準，取γ值為2.2，計算得：

3.1.3 轉換到CIE XYZ標準色品空間

公式（3）將顏色轉換到標準色品空間，其中的轉換矩陣為經驗值，計算得：

3.1.4 轉換到CIE UCS均勻色品圖

公式（4）和（5）中X、Y、Z為三刺激值，CIE XYZ色品空間經過該變換，可將顏色映射到均勻色品圖UCS，該圖中所有顏色都是等明度的，兩顏色之間的色差與它們間的距離成正比。計算得：

3.1.5 轉換到CIE Luv色空間

為獲得視覺上較均勻的色彩空間，CIE推薦Lab和Luv兩個色空間，并分別規定了色差的計算方法。本文根據NUREG 0700中的要求，選取了CIE Luv色空間。

公式（6）、（7）和（8）將顏色映射到了CIE Luv色空間。Y0、u0'、v0'為給定的白物體色刺激值，且0.01

3.1.6 CIE Luv色差ΔE (CIE Luv)

在CIE Luv色空間中，兩顏色間的色差為它們在色空間中的距離，根據公式（9）計算得，工程中常用的紅色和黃色的Luv色差為127.55，大于40，滿足適用性的要求。

3.2 Yuv對比度計算

針對2.3章節差異性要求，以紅色和白色為例，計算如下：

3.2.1 轉換到Yuv色空間

本文根據NUREG 0700中的要求，選取Yuv色空間，計算顏色的色差，公式（10）將顏色映射到Yuv色空間，紅色和白色的RGB值分別為（255，0，0）和（255，255，255），計算得：

3.2.2 Yuv色差ΔE (CIE Yuv)

表1 主要編碼色Table 1 Main coding colors

公式（11）中，YM=Max(Y1，Y2)。經計算，紅色和白色的Yuv色差為143.20，超過了100，可以作為顏色組合使用。

4 顏色方案

4.1 顏色選擇

單純的黑白設計顯得單調乏味，容易造成認知疲勞，使用戶無法保持注意力的穩定，因此通常通過不同的顏色區分不同的編碼對象。在充分考慮色彩理論中人眼對不同波長光譜顏色感受程度差異，并結合3.1章節CIE Luv色差計算的結果，確定選用表1中的顏色作為主要的編碼色。

4.2 顏色組合

當組合顏色在亮度對比接近時，由于顏色的同化作用難以分辨。比如在白色背景上，打出同樣字體及字號的一行黃色文字和一行黑色文字，黑色文字則看上去更加清楚、更容易辨認。根據色彩理論，人眼對于亮度相近的色刺激分辨較弱，因此應盡量避免使用它們的組合。結合3.2章節中Yuv色差計算結果，表2中列出了幾個顏色組合的應用實例。

4.3 顏色方案

在設計顏色方案前，應確定顏色編碼的對象，其影響因素較多，比如說受控設備的接口類型、控制策略以及用戶的使用習慣。本文參考核電站常用的顏色編碼對象[3,5]，表3中列出了幾個顏色編碼的應用實例。

5 結束語

本文給出的是確定HSI顏色方案的通用方法，實際使用時還需要考慮用戶的使用習慣。如對舊電站的升級改造項目，應咨詢用戶對于舊顏色編碼的想法，查看舊電站的設計文件及監控畫面，識別出新方案中用法不一致或可能會引起混淆的地方。

表2 顏色組合實例Table 2 Examples of color combinations

表3 顏色方案實例Table 3 Examples of color schemes

顏色方案在最終確定前還應通過模擬測試。如借助動態驗證平臺或模擬機，選擇能代表實際用戶的操縱員執行測試，測試時可通過眼動儀和攝像設施，捕捉用戶的細微反應，證明與顏色編碼的設計預期相符合。測試環境，包括顯示器、周圍環境和照明條件，應盡可能與實際工作環境保持一致。

本文在轉換色彩空間和計算色差時，使用了一些經驗公式和經驗值，這些公式和數值本身存在著一些局限性，例如對于亮度差異較小的顏色，使用本方法計算色差時誤差較大，以后的工作中還需要針對性地做進一步的研究。