第16卷第10期 2004年10月计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER2AIDED DESIGN 基于Lab均匀色彩空间与规则几何框架构建色彩调和工具;构建面向行业的色彩设计知识库;应用综合模糊评价的方法进行色彩设计评价1 基于上述策略和技术,开发了CAID色彩设计系统框架,并将该系统应用于机床产品设计中1关键词 CAID;色彩设计;色彩空间;色彩调和中图法分类号 TP391Color Design System for Computer2Aided Industrial DesignWang Ke Yu Suihuai Yue Wande Lu Changde( College of Mechanical and Electrical Engineering , Northwestern Polytechnical University , Xian 710072)Abstract To remedy the deficiency of current color design tools , a new software strategy to tacklethe issue of product color design is proposed1New approaches include : constructing special color paletteto get metal , plastic and other specific color polish ; constructing a perceptually uniform color space ofLab and using regular geometric frame to achieve color harmony; constructing color knowledge base fora specific industry; and applying integrated fuzzy methods to evaluate the result of color design1A pro2totype CAID color design system was developed with a case of machine tool color design as example1Key words computer2aided industrial design(CAID) ; color design ; color space ; color harmony1 引 言计算机辅助工业设计(Computer2Aided IndustrialDesign ,CAID)包括工业设计的各个方面,涉及到产 品的形态设计、 色彩设计、 人机设计、 装饰设计以及 设计评价等11 其中,色彩设计在CAID系统中占 有重要的地位1 在色彩原理和人类视觉心理学研究的基础上, 人们建立了工业设计中的色彩设计理论1 随着计算机技术的普及和发展,计算机辅助色彩设计工具应 运而生1 虽然目前主流的CAID解决方案有许多种, 但面向工业设计的专业的产品色彩设计软件系统非 常少见,仅有一些产品设计软件带有色彩设计模块 或工具,且功能十分薄弱,只提供了基本的调色和赋 色工具,很少具有系统的色彩设计辅助功能1 所以,不论是在CAID技术的研究方面还是在CAID色彩设计软件系统的开发方面,众多空白急 待填补,探索真正意义上的CAID专业化色彩设计 理论和色彩设计系统是本文研究的目标12 问题的提出尽管色彩设计理论和方法形成了一定的体系, 但其大部分基于形象思维,许多描述是感性的、 模糊的,数理基础较差,很难模型化,这是阻碍计算机辅 助色彩设计发展的重要原因21 目前,国内外在计算机辅助色彩设计方面还缺 乏系统的研究,在软件系统的应用中更缺少成功的 范例1 计算机辅助色彩设计存在的主要缺点有:(1)选色器的构造复杂,功能单一1 现有软件系统中选色工具的基础模型复杂3,使缺乏色度学知 识的用户感到困惑,不易找到需要的颜色;选色往往 针对单一、 孤立的色彩进行操作,其结果是不同的色 彩之间不容易调和;选色器缺乏对色彩整体风格的辅助,选中的色彩与预想存在差异1 (2)缺乏面向特定行业的色彩设计系统1 面对不同行业的用户,色彩设计工具没有针对性1 用户 在进行色彩设计时,不能从软件系统中获得本行业 的色彩设计知识指导,对本行业经常使用到的特殊色彩,无法方便、 快速地获得1 (3)软件系统的 “设计” 功能薄弱1 现有的CAID系统中,色彩设计部分的功能通常十分薄弱,仅仅向 用户提供了基本的调色和赋色工具,很少具有色彩 设计的辅助功能1 没有从工业设计的思想和方法上给用户以帮助,无法体现出工业设计的特点13 系统构建通过分析现有色彩设计工具的研究现状和不足,本文根据工业设计的理论和方法,从色彩选取、 色彩调和、 色彩设计知识库和色彩设计评价4个方 面展开研究1 图1所示为CAID色彩设计系统的信息流程 图1整个色彩设计过程以色彩方案设计为中心,通过选色器、 色彩调和器、 色彩设计知识库的辅助,获得 色彩方案1 最后,运用多级模糊综合评价方法对色 彩方案进行评价1 如果对设计结果满意,则输出色 彩设计方案,将色彩配置到产品模型上;否则,重新 退回到上面的色彩设计过程1其中,用户可以使用4种方式选择色彩方案1 (1)使用选色器选择色彩方案中的各种颜色1(2)主色通过选色器选取,各个辅色通过主色驱动的色彩调和器得到1(3)使用基于均匀色彩空间的色彩调和器,通过调整几何调和框架的参数,得到调和的色彩方案1 (4)从色彩设计知识库中直接选取合适的色彩或色彩方案1图1 CAID色彩设计系统信息流程图4 核心技术研究411 面向特殊色彩的选色器 单一色彩的选取是色彩方案设计的基础,色彩 设计系统中选色器的构建非常重要1 在选色过程 中,某些特殊的颜色,如金属色、 塑料色的选取具有 一定难度1 如果向用户提供具有特殊色彩选择机制的选色器,则能够直接提高色彩设计的效率和效果1 除了金属色和塑料色外,特殊色彩的范围可以扩展 到植物色、 泥土色、 人的肤色、 唇色等1 为了方便地提取不同个体事物所具有的相似 色,常常需要建立特殊用途的色彩空间1 计算机中各种新颜色空间多是基于YUV空间建立的,即将 颜色分成亮度、 饱和度、 色相三维分量1 一般亮度的 分量是固定的,而饱和度与色相可以根据需要变化, 即对饱和度与色相构成的二维平面相位角进行变 换1可以根据这种思想,建立适合自己需要的色彩空间1 下面以肤色为例进行说明1RGB空间向YUV空间的转换矩阵为YUV=012990158701114-01147-012890143601615-01515-01100RGB(1)人的肤色在YUV空间中处于105 150 之 间,经试验肤色坐标系的主轴V 定位在114 时效果 最佳,相应地,U 轴定位在2441 其数学关系式为U= Vsin 24+ Ucos 24V= Vcos 24-Usin 24(2)6241计算机辅助设计与图形学学报2004年由式(1) ,(2)进行推导,可以得到RGB色彩空 间到肤色空间YUV 的转换公式YUV=01299015870111401115-014730135801620-01532-01268RGB1412 均匀色彩空间调和器 使用软件对产品进行色彩设计时,获得调和的 色彩设计方案是用户的基本需求1 但色彩的调和在 理论和实践中都是很困难的工作,因为人们对色彩 审美的要求往往同时表现在视觉与心理需求两方面1色彩心理本身包含极其复杂的因素,因此很难对 色彩调和的原则作出定论51 然而在现实中,人们 又承认色彩有调和与不调和的感觉,并且经常用 “调 和” 这样的字眼来评价色彩1 本文根据孟赛尔色彩调和理论,构建了色彩调和的几何框架,通过调整几何框架的形状、 位置、 角 度、 均匀色彩空间色点密度等参数,确定调和框架顶 点和Lab均匀色彩空间的映射,最终获得调和的色 彩设计方案;并在此基础上,开发CAID软件系统中 的色彩调和工具,从而提高了寻找调和色彩组合的效率141211 Lab均匀色彩空间 为了使各种颜色能按照一定的排列次序放置在 一个空间内,将三维坐标轴与颜色的三个独立参数 对应起来,使每个颜色都有一个对应的空间位置1相反,空间中的任何一点都代表一个特定的颜色,这 个空间称为色彩空间1 通常使用的RGB色彩空间, 其几何距离的变化与人眼视差的变化不成比例,这 说明人眼对颜色的分辨能力与RGB色彩空间不成 正比1 研究人员对于这一问题已经做了许多研究,并提出了均匀色彩空间的概念1 顾名思义,均匀色 彩空间就是相对于人眼辨色率均匀的色彩空间,其 坐标内的等距离意味着等色差1Lab色彩空间是由国际照明委员会(CommissionInternational delEclairage ,CIE)于1976年公布的一种色彩模式1 在Lab色彩空间中,颜色之间视觉上 的距离与颜色坐标上的欧几里德距离成正比,因此 具有一定距离的两点之间的色彩是均匀分布的,符 合人眼对色彩的感觉141212 几何调和框架孟赛尔色彩调和理论提到:“色彩空间中的任何 路径,以及它之外的路径,如果它们的形状和间距排 列是秩序的,就会得到一系列调和的色彩,这些色彩 一起使用时,就能获得我们在色彩关系中寻找的令人愉快的感觉” 16 根据这一原理,在均匀色彩空间中,布置形状规 则、 秩序的几何框架,将几何框架的顶点与均匀色彩 空间中的颜色映射,获得一一对应的色彩值1 由于 在均匀的色彩空间中色点分布均匀,因此几何框架所具有的约束会保留,即组成了调和的色彩方案1 图2所示为一些不同形状的色彩调和几何框架1 几 何框架的形状具有秩序性,不同的形状对应不同色 彩数量,几何框架的顶点与色彩空间中的色点映射, 便可以得到调和的色彩方案1图2 色彩调和的几何框架从Lab均匀色彩空间的特性出发,通过不同的 算法将均匀色彩空间可视化,并对比其性能表现1 图3所示为使用Visual C +为开发平台,OpenGL为图形平台绘制的Lab均匀色彩空间及调和框架1 图3中三角形的调和框架对应三色方案,几何框架 的边长以及在Lab色彩空间的位置、 转角等参数均 可调1 当调和框架最终在色彩空间中定位,它们的 位置就定义了真实的色彩1 框架上各个顶点所对应的颜色,就构成了最终的调和色彩方案1图3 Lab色彩空间及调和框架示意图413 行业色彩设计专家系统 色彩设计是一门建立在众多学科之上的综合性 学科,涉及到诸如色度学、 光学、 美学、 工程学等多学 科的理论和技术,而且色彩设计的问题大多是模糊 的,难以量化和模型化1 然而,色彩设计具有行业性、 地域性和时间性,并且色彩设计专家在各个方面 积累了丰富的技术和经验,对于这些问题的处理,专 家系统是较好的选择1724110期王 可等:面向计算机辅助工业设计的色彩设计系统建立专家系统,可以在分析产品语义性心理性 色彩设计方法的基础上,将产品的色彩设计问题模 型化1 同时,采集和整理产品色彩设计知识,提出有 效的知识表示方法,并在此基础上提出产品色彩设 计知识库的构建方案,解决知识库的建立与维护、 基于规则的推理及冲突解决等问题1 知识表达的方法有多种,其中面向对象的知识 描述方法具有与现实相似的特点,并且知识表达功 能强大1 采用面向对象的方法对色彩设计知识的规 则表示进行封装,便于对知识的表示方法进行扩充和建立知识库21 下面是一种有效地采用黑板系统 结构的色彩专家系统1 知识与推理机的对象化,实 现了知识与推理机相分离1 图4所示为色彩设计专家系统中主要类的结构 图1 其中,知识库类CKnowledgeBase是色彩设计知识库的抽象,它将色彩设计的知识划分