顏色科學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用研究

顏色科學(xué)為不同領(lǐng)域的相關(guān)科研工作奠定了重要基礎(chǔ)，在相關(guān)領(lǐng)域的實踐中也有廣泛應(yīng)用價值。本文依據(jù)文獻資料查詢的方式了解了顏色科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展歷史，并總結(jié)歸納了當(dāng)下社會的顏色科學(xué)的應(yīng)用情況，在分析顏色科學(xué)應(yīng)用的過程中得到對顏色科學(xué)未來發(fā)展方向以及發(fā)展應(yīng)用趨勢的認(rèn)識。

顏色科學(xué)綜合了物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、心理物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科的知識，旨在系統(tǒng)地闡述顏色的產(chǎn)生、感知、描述、測量以及應(yīng)用。

顏色科學(xué)的發(fā)展

顏色科學(xué)的發(fā)展史可以追溯到17世紀(jì)，牛頓用三棱鏡把白光分散成7種顏色的光，即紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫（如圖1所示），第一次將白光的本質(zhì)帶進了人們的視野中，這也才有了后續(xù)人們對顏色的認(rèn)識。牛頓又從理論上證明了不同的波長對應(yīng)不同的光，從根本上揭示了顏色的本質(zhì)。

圖1 色散實驗

早在18世紀(jì)，德國浪漫主義畫家菲利普?奧托?榮格就提出球形的3D顏色模型（如圖2所示），這是一種以色相和黑白為基礎(chǔ)的模型，對當(dāng)時的學(xué)界產(chǎn)生了極大的影響，該模型將基于色相以及黑色和白色，把顏色放在球面上及球體內(nèi)部，把各種顏色的關(guān)系用直觀的圖表來表示，為人們對顏色的分類和理解提供了一個全新的角度，并使人們認(rèn)識到顏色應(yīng)該是一個三維的空間而不是平面的概念。

圖2 3D顏色模型

圖3 第一張彩色照片

19世紀(jì)60年代，詹姆斯?克拉克?麥克斯韋就發(fā)現(xiàn)了3種基色（紅、綠、藍(lán)）之間的關(guān)系，并拍攝出了世界上第一張彩色照片（如圖3所示），奠定了色度學(xué)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)是顏色科學(xué)發(fā)展最輝煌的時期。

圖4 RGB模型

1905年，孟塞爾色彩系統(tǒng)誕生，這是第一個得到廣泛應(yīng)用認(rèn)可的顏色系統(tǒng)，并且給出色彩精確的價值。1913年，國際照明委員會（CIE）成立，使顏色科學(xué)研究達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和國際化的程度，從而推動了世界顏色科學(xué)研究的進步與發(fā)展，并促進了國際間顏色的測量及應(yīng)用工作的展開，使之具有了共同的基礎(chǔ)和技術(shù)。現(xiàn)代顏色科學(xué)已經(jīng)滲透到生活的方方面面：從繪畫、建筑藝術(shù)到工業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活，都能發(fā)現(xiàn)顏色科學(xué)的作用；如常用的Pantone色卡等顏色系統(tǒng)已經(jīng)成為各行各業(yè)都使用的一個世界通用的標(biāo)準(zhǔn)；此外，由于顏色表示方法上的一些不同，在與各種顏色表示系統(tǒng)相對應(yīng)的不同顏色模型下，得到的色彩結(jié)果也不相同。如圖4所示的RGB模型以視覺三色說為基礎(chǔ)，把紅、綠、藍(lán)三種單色混合成自然界的各種色彩，適用于計算機圖形、成像系統(tǒng)、彩色監(jiān)視器、彩色攝影等領(lǐng)域；CMYK則以紅、綠、藍(lán)的補色青、品紅、黃作為原色的色彩模式，在印刷、打印等行業(yè)使用非常普遍；而HS*系列顏色模型因其簡單直觀的表示色彩的色相、飽和度和亮度的方式，成為了易于人們心理感知的顏色模型。這種模型適用于對速度和視覺心理有一定要求、對顏色分類精度要求不高處使用的模型，HSV六棱錐立體模型是HS*系列的顏色模型之一（如圖5所示），其能夠很好地表示出顏色的三維結(jié)構(gòu)。

圖5 HSV六棱錐立體模型

顏色科學(xué)的應(yīng)用

色彩作為一種飽含情感的視覺元素，在當(dāng)前社會生活的各個方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。既作為自然界萬事萬物豐富多彩的基礎(chǔ)，又作為人類的文化心理以及對外感知認(rèn)識的主要載體之一，在醫(yī)療上、藝術(shù)設(shè)計中、教育教學(xué)上、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上以及印刷上都有廣泛應(yīng)用。

1.醫(yī)療領(lǐng)域

色彩對人的情感有著不可忽視的作用，隨著人們對色彩的關(guān)注度不斷增加，醫(yī)學(xué)界也開始漸漸注意到色彩對病人而言都可能是一種良藥。與現(xiàn)今大家耳熟能詳?shù)摹耙魳矾煼ā币粯樱?/span>“色彩療法”在醫(yī)學(xué)界越發(fā)地占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：不同顏色對于人體的影響是不同的，對于患有疾病的人來說，其所處環(huán)境顏色對其身心健康都有影響。其中，綠色給人一種安靜的感覺，粉紅色能平息憤怒的情緒，赭石色也有利于低血壓癥患者提高血壓。這說明，在功能不同的空間里使用不同色調(diào)的色彩搭配，有利于調(diào)節(jié)人的情緒狀態(tài)，輔助醫(yī)學(xué)上的治療。

圖6 色彩環(huán)境的設(shè)計

人類精神對于外界刺激所產(chǎn)生的反應(yīng)模式呈現(xiàn)出十分有趣的現(xiàn)象——同一種外界刺激，若僅給以一次，則隨著時間的推移該種刺激所帶給人的印象便隨之衰減；但是同一種外界刺激，若不斷累積，則會給人們帶來更加深刻的印象。在接受不斷的外界刺激下，個體可能漸漸地適應(yīng)這種刺激，并接受這種刺激，也可能因為這種持續(xù)性的外界刺激而感到不適，并產(chǎn)生崩潰式的抵抗，這時可能會出現(xiàn)眼干、身體疲憊、心率加快、焦慮不安乃至情緒消沉或過度興奮等情況。可見，對于經(jīng)常居住于醫(yī)院的患者而言，房間是其留置最久的空間，病房內(nèi)的色彩環(huán)境是否讓患者舒服，對患者而言是非常重要的。房間內(nèi)舒適宜人的色彩環(huán)境（如圖6a所示）不僅可以緩和患者的不良情緒，亦可以通過提高患者愉悅程度從而幫助其恢復(fù)身心健康。有些較為講究的醫(yī)院會選擇在病房內(nèi)設(shè)置較為舒適的床鋪，為滿足部分老幼需求，還可以將溫暖的氣氛色系引入進來（比如灰白色、淡粉色或者金色等）。這類氣氛色系常見于墻面裝飾上，可使房間更為寧靜、溫馨，給人們帶去較為輕松的心理暗示。因此，病房內(nèi)可選取明度較高、純度較低的柔和色調(diào)組合，帶給人們較為輕松愉快、清新的感覺。不過也應(yīng)當(dāng)根據(jù)患者的年齡大小及入住時長加以區(qū)別設(shè)計，而且在針對兒童病人時更要多加斟酌（如圖6b所示）。在打造淡雅穩(wěn)重的底色的基礎(chǔ)上，添加色彩亮麗、活潑的裝飾物、玩具及家具等，使病區(qū)環(huán)境略帶活潑氣息，在孩子治療的過程中也能增加一分愉悅感、希望感；同時，緩解他們對于醫(yī)院環(huán)境的畏懼，也便于孩子配合治療，利于健康。

2.藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域

品牌設(shè)計主要是用于塑造品牌形象、提升品牌的價值和競爭力的過程，在這其中起著決定作用的就是色彩的設(shè)計，做好色彩的設(shè)計能夠更好的達(dá)到吸引消費者的目的。90%以上的品牌的第一印象是由色彩傳遞給人們的，因而品牌設(shè)計師需要研究色彩，打造具有個人色彩且吸人眼球的獨特品牌色彩。

場景設(shè)計中用戶是第一位的，在此過程中顏色起到很大的作用。而合理巧妙地配色則能帶來舒適的購物體驗，創(chuàng)造愉悅的購物環(huán)境，順應(yīng)消費者的口味需要；或者也可以配合商家在營業(yè)場所的顏色設(shè)計上給不同的消費群體提供他們想要的消費氣氛和場景。再者，顏色還可引導(dǎo)人們的行為。比如，在超市把打折或促銷的商品放在容易看到的地方，并且標(biāo)注上亮麗的顏色，可以更好地引起人們的注意和推動人們的購買行為。

3.教育領(lǐng)域

（1）特殊教育

在特殊教育領(lǐng)域，借助顏色科學(xué)的方法會給予存在學(xué)習(xí)障礙的人更大的幫助。比色法就是一種利用顏色來改善人們視覺感知的方法，比如讓文字和背景顏色間有著明顯的顏色對比，來避免視覺混淆，從而提高閱讀的速度與準(zhǔn)確性。除了紙面上的文字之外，對于一般視覺檢測過程同樣具有良好的效果，也非常適合應(yīng)用于電腦屏幕，幫助特殊學(xué)生進行數(shù)字化的學(xué)習(xí)。除了顏色心理學(xué)中的視覺上的影響外，顏色還有能改變?nèi)说那榫w和行為的效果。特殊教育專家可針對每個人的需求為其制定個性化的方案，如使用藍(lán)色、綠色等冷色調(diào)給人一種放松的感覺，而使用紅色、橙色等暖色調(diào)會使人們能以積極的心態(tài)去做好某件事情；根據(jù)不同的顏色所對應(yīng)的作用發(fā)揮各自的潛能，發(fā)揮每個人的特色。使用冷暖色調(diào)配色可以打造一個良好的學(xué)習(xí)氛圍，有助于特殊學(xué)生的學(xué)習(xí)以及保障學(xué)生心理安全。例如：不同顏色會給大腦傳遞不同指令，擁有不同功效，根據(jù)不同的需要，搭配合適的顏色能夠讓學(xué)生獲得最舒適的狀態(tài)，比如讓人集中注意力的顏色、讓人感到輕松愜意的顏色、讓人感到舒服放松的顏色、讓人感到安靜的顏色，等等。

（2）視覺教學(xué)

視覺是人獲得信息的重要方式，特別是對學(xué)生來說，在教學(xué)過程中采用生動形象、色彩鮮明的視覺材料對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)習(xí)效率有著重要的作用。將色彩科學(xué)運用到教學(xué)材料的設(shè)計中，可以發(fā)揮色彩的視覺指導(dǎo)作用，讓學(xué)生能更快更好地理解和記憶相關(guān)的知識。比如，應(yīng)用色彩科學(xué)的知識，制作出形態(tài)精美、色彩淡雅的教具、掛圖、幻燈片等，并且能在看地圖的時候用不同的顏色區(qū)分開不同的國家、地區(qū)或者不同的地形等。同時，顏色除了具有物理屬性之外，還有一定的情感意味，在教學(xué)材料中加入和學(xué)生產(chǎn)生共鳴的顏色會使得教學(xué)材料更具吸引力，并能夠引起學(xué)生對這些知識的記憶，從而使教學(xué)效果更好。比如，在給學(xué)生上歷史課的時候就可選用符合這一時期特點的色彩基調(diào)來構(gòu)成歷史場景氛圍，讓學(xué)生有身臨其境之感，使他們易于接受相關(guān)的歷史知識。

4.農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

隨著時代的發(fā)展，孟塞爾顏色體系是基于色調(diào)（H）、明度（V）和彩度（C），由這三要素組成的顏色描述系統(tǒng)，即HV/C顏色空間。傳統(tǒng)上采用孟塞爾比色卡進行直觀比色，在實際過程中會出現(xiàn)由于操作人員的經(jīng)驗或天氣狀況、光照條件、濕度等因素造成觀察出現(xiàn)偏差的問題。目前已經(jīng)有各種針對這一缺點的研究成果：諸莉燕等人利用采集到的土壤照片通過圖像處理手段，從照片當(dāng)中提取孟塞爾顏色信息，減小辨識誤差；陳劍科等提出了基于測色儀的土壤孟塞爾顏色測定方式，利用精密儀器加科學(xué)算法測算土壤的色調(diào)、明度和彩度值。

圖7 土壤數(shù)據(jù)

不同農(nóng)業(yè)作物對太陽光色光的吸收程度不同，在紅、黃、藍(lán)、紫4種色光下對光合作用有較大的促進作用。彩色農(nóng)業(yè)就是根據(jù)該特點，種植不同顏色的作物或者采取不同顏色的薄膜覆蓋農(nóng)作物，來改善農(nóng)田的光譜環(huán)境，進而影響作物的生長狀況。研究人員采用顏色傳感器及圖像處理的方法對農(nóng)作物的顏色進行量化分析，并且通過RGB或者HSV等方式的模型檢測水果表皮顏色，以此檢驗農(nóng)作物的成熟度或者是類型。運用這些技術(shù)手段，大大提高了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義與產(chǎn)品質(zhì)量的判定效果。圖7a是利用移動設(shè)備從本地讀取并識別人工獲取的土壤樣本的圖像結(jié)果，即將RGB三個分量值相加求平均值得到的結(jié)果；圖7b是在固定好配置有數(shù)據(jù)輸入模塊的相機時，采取抓拍方式拍照之后讀取的信息。

5.印刷行業(yè)

（1）基于色彩模型的顏色計算

基于色彩模型的顏色計算是印刷工藝中至關(guān)重要的一環(huán)，特別是在進行高精度顏色復(fù)制時。

在印刷之前，為了能夠印刷出符合設(shè)計稿的顏色效果，也會運用到色彩模型的計算。而將色彩模型應(yīng)用到計算當(dāng)中就是為了準(zhǔn)確計算出油墨配比，便于后期調(diào)色準(zhǔn)確。以青（Cyan）、品紅（Magenta）、黃（Yellow）和黑（Key,也被稱為Key Plate或黑版）為基本四原色組成的色系稱作CMYK色彩模型，它能再現(xiàn)自然界的各種顏色。要復(fù)制一種顏色，就要使用色彩分析軟件或?qū)I(yè)設(shè)備把這種顏色的CMYK數(shù)值分解出來，這就是各種色料之間的調(diào)配比例，通過它們混合可以獲得所需的顏色。但是值得注意的是，CMYK模型只是顏色復(fù)現(xiàn)的一種理論模型，并非現(xiàn)實情況，其與現(xiàn)實情況的差別很大。這是因為墨色的色相、飽和度、亮度等因素會受油墨種類、批號、印刷機型號、紙張的種類與厚度、印刷環(huán)境等眾多因素的影響。從理論上說，如果能保證各方面條件相同，用CMYK模型來算出油墨配比便可得到顏色的正確復(fù)現(xiàn)，但這只是在所有條件相同的情況下的說法而已，若條件各不相同，便無法如愿。

印刷行業(yè)常通過增加步驟來保證印出來的顏色能夠符合標(biāo)準(zhǔn)，在上面提到的步驟基礎(chǔ)上會采用色度計或者光譜儀這種專業(yè)的儀器來對比輸出的顏色是否與想要的顏色相匹配，如果出現(xiàn)了差額，則需要不斷調(diào)整油墨的比例直至最終達(dá)到視覺上的一致。除了現(xiàn)在普遍使用的彩色打印機以外，一些更加先進的高端彩色印刷系統(tǒng)也可以根據(jù)其內(nèi)嵌的全自動色彩管理系統(tǒng)完成數(shù)字式實時檢測并及時修正顏色偏差的問題，保證顏色更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。這部分的整個系統(tǒng)主要是采用了色彩傳感器加先進的算法以及機器學(xué)習(xí)的方式實現(xiàn)了自動適應(yīng)各種印刷條件及油墨特點，實現(xiàn)了一種更為精準(zhǔn)的顏色復(fù)制與顏色管理。

（2）印刷質(zhì)量評估

采用分光光度計、色差儀等儀器對印刷品顏色進行精確檢測。分光光度計是根據(jù)不同的波長下物體對于光的反射或透過率的不同得到物體的顏色，進而計算出物體的顏色度參數(shù)；色差儀則是直接將待測品與標(biāo)準(zhǔn)色板色值相比較得到二者的色差值。對所得出的數(shù)據(jù)進行分析后能夠給出更加客觀公正的評價。

（3）色差控制

按照行業(yè)通用的顏色科學(xué)中色差計算的標(biāo)準(zhǔn)，以CIEDE2000公式為參考，確定了一個可接受的色差范圍，然后采用實時監(jiān)控的方式，在印刷時檢測到色差超標(biāo)后及時進行原因分析，并且通過對油墨供給量、印刷壓力和印刷速度的調(diào)整來達(dá)到使印刷品顏色穩(wěn)定和準(zhǔn)確的效果。

顏色科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用趨勢

關(guān)于顏色科學(xué)發(fā)展的歷史是從牛頓開始，經(jīng)歷了CIE標(biāo)準(zhǔn)化過程，其中包含RGB模型、CMYK模型，以及應(yīng)用層面的顏色測量和校正、依據(jù)人的心理感受的設(shè)計等內(nèi)容。

顏色科學(xué)的發(fā)展趨勢是多元領(lǐng)域相輔相成、相互融合、互促發(fā)展的過程，近年來出現(xiàn)了大量優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)色材料研發(fā)成果，如手性結(jié)構(gòu)色材料（聚合物微半球）和動態(tài)結(jié)構(gòu)色材料（法拉第3D打印）等結(jié)構(gòu)色材料，新穎地應(yīng)用于立體顯示、生物傳感、量子通信、信息安全等各個領(lǐng)域；除此之外，色彩心理學(xué)在數(shù)據(jù)可視化方面的應(yīng)用也是近年來人們關(guān)注的焦點之一，很多針對顏色感知與情感態(tài)度間關(guān)聯(lián)性的問題均有被提出來，這就提醒我們在制作數(shù)據(jù)可視化圖表的時候需要注意不同的群體可能會有對顏色的不同感知或情感態(tài)度上的反應(yīng)，所以我們需要注意結(jié)合不同受眾的色彩文化習(xí)慣來制作更加容易被人接受的數(shù)據(jù)可視化科學(xué)圖表。顏色科學(xué)在紡織及工業(yè)中同樣有著廣泛應(yīng)用，例如利用新顏色深度公式測量染料相對強度，用于染料性能評價或評估，測量上也取得很大進步。

總體而言，顏色科學(xué)具有豐富的應(yīng)用前景，是理論研究和工程應(yīng)用上的基礎(chǔ)。把顏色科學(xué)應(yīng)用于以上各個方面均有理論意義，并能夠提供強有力的技術(shù)支持與解決手段。同時與材料科學(xué)、心理學(xué)、納米技術(shù)等多學(xué)科相交叉融合并拓展到各個工業(yè)領(lǐng)域，從而產(chǎn)生更新、更快的進步。