1.7 學術圖表的色彩運用原理

1.7.1 顏色模式

1．RGB顏色模式

我們先從顏色模式開始講解學術圖表的色彩運用原理。在圖像處理中，最常用的顏色空間是RGB模式，常用于顏色顯示和圖像處理。RGB顏色模式使用了紅（red）、綠（green）和藍（blue）來定義所給顏色中紅色、綠色和藍色的光的量。在24位圖像中，每一種顏色成分都由0到255之間的數(shù)值表示。在位速率更高的圖像中，如48位圖像，值的范圍更大。這些顏色成分的組合就定義了一種單一的顏色。RGB顏色模式采用三維坐標的模型形式，非常容易被理解，如圖1-7-1(a)所示：原點到白色頂點的中軸線是灰度線，R、G、B三分量相等，強度可以由三分量的向量表示。我們可以用RGB來理解色彩、深淺、明暗變化。

圖1-7-1 顏色模式對比

（1）色彩變化：三個坐標軸RGB最大分量頂點與黃、紫、青（YMC）色頂點的連線；

（2）深淺變化：RGB頂點和CMY頂點到原點和白色頂點的中軸線的距離；

（3）明暗變化：中軸線的點的位置，到原點，就偏暗，到白色頂點就偏亮。

RGB模式也稱為加色法混色模式。它是以RGB三色光互相疊加來實現(xiàn)混色的方法，因而適合于顯示器等發(fā)光體的顯示。其混色規(guī)律是：以等量的紅、綠、藍基色光混合。我們平時在繪圖軟件中調(diào)整顏色主要就是通過修改RGB顏色的三個數(shù)值，如圖1-7-3(b)所示的Windows系統(tǒng)自帶的選色器的右下角。

圖1-7-3 HSL顏色模式的應用場景

2．HSL顏色模式

大家平時在顏色選擇中還會遇到一種顏色模式：HSL（色相、飽和度、亮度），如圖1-7-1(b)所示，在這里也給大家做簡要的介紹。HSL色彩模式是基于人眼的一種顏色模式，是普及型設計軟件中常見的色彩模式，其中：

（1）色相H（hue）：代表的是人眼所能感知的顏色范圍，這些顏色分布在一個平面的色相環(huán)上，取值范圍是0°到360°的圓心角，每個角度可以代表一種顏色，如圖1-7-2(a)所示。色相值的意義在于，當不改變光感的時，可以通過旋轉(zhuǎn)色相環(huán)來改變顏色。在實際應用中，可用作基本參照的色相環(huán)上六大主色為：360°/0°紅、60°黃、120°綠、180°青、240°藍、300°洋紅，它們在色相環(huán)上按照60°圓心角的間隔排列。

圖1-7-2 HSL顏色模式分量的具體示例

（2）飽和度S（saturation）：是指色彩的飽和度，它用0%至100%的值描述了相同色相、明度下色彩純度的變化。數(shù)值越大，顏色中的灰色越少，顏色越鮮艷，呈現(xiàn)一種從理性（灰度）到感性（純色）的變化，如圖1-7-2(b)所示。

（3）亮度L（lightness）：是色彩的明度，作用是控制色彩的明暗變化。通常是從0（黑）~100%（白）的百分比來度量的，數(shù)值越小，色彩越暗，越接近于黑色；數(shù)值越大，色彩越亮，越接近于白色，如圖1-7-2(c)所示。

與HSL顏色模式類似的還有：HSB[色相（hue）、飽和度（saturation）、亮度（brightness）]有時也被稱作HSV[色相（hue）、飽和度（saturation）、色調(diào)（value）]，如圖1-7-1(c)所示。比起RGB系統(tǒng)，HSL使用了更貼近人類感官直覺的方式來描述色彩，可以指導設計者更好地搭配色彩，在色彩搭配中經(jīng)常被用到，如圖1-7-3所示。

我們使用顏色時參考的色輪（色相輪）就是來源于HSB、HSL顏色模式或LUV顏色模式。配色網(wǎng)就是基于HSL顏色空間模型自動生成高級配色方案的在線網(wǎng)站，如圖1-7-4所示。HSL色彩空間可以更加直觀地表達顏色。HSL是色相、飽和度和亮度這三個顏色屬性的簡稱。色相是色彩的基本屬性，就是人們平常所說的顏色名稱，如紫色、青色、品紅等。我們可以在一個圓環(huán)上表示出所有的色相。它不僅基于常用的場景給出合適的配色方案，而且還允許用戶使用配色工具自行配置出極具個人風格又不失美觀的方案，功能完備且實用。色彩搭配基本理論方法除了圖1-7-5所說的三種外，還有：類似色（analogous）搭配、分裂互補色（split complement）搭配、矩形（rectangle）搭配和正方形（square）搭配等。

圖1-7-4 配色網(wǎng)推出的高級配色工具

圖1-7-5 三種不同顏色選擇的色相環(huán)

色環(huán)又稱作為色輪，是一種按照色相將色彩排列的呈現(xiàn)方式。當我們開始進行色環(huán)排列時，需要把原色按照等距關系排列，如圖1-7-5的12色5輪色輪所示。

（1）單色（monochromatic）搭配：色相由暗、中、明三種色調(diào)組成的單色。單色搭配并沒有形成顏色的層次，但形成了明暗的層次。這種搭配在設計中應用時，效果永遠不錯，其重要性也可見一斑。

（2）互補色（complement）搭配：如果顏色方案只包括兩種顏色，就會選擇色環(huán)上對立的2個顏色（在色輪上直線相對的兩種顏色稱為補色，比如紅色和綠色），如圖1-7-5(b)所示。互補色搭配在正式的設計中比較少見，主要由于它色彩之間強烈對比所產(chǎn)生的特殊性和不穩(wěn)定，但是很顯然的是，在各種色相搭配中，互補色搭配無疑是一種最突出的搭配，所以如果你想然你的作品特別引人注目，那互補色搭配或許是種最佳選擇。

（3）三角形（triad）搭配：如果顏色方案只包括三種顏色，那么就會以120°的間隔選擇3個顏色，如圖1-7-5(c)所示。三角形搭配是一種能使得畫面生動的搭配方式，即使使用了低飽和度的色彩也是如此。在使用三角形搭配的時候一定要選出一種色彩作為主色，另外兩種作為輔助色。

3．LUV顏色模式

LUV色彩空間全稱CIE 1976(L*, u*, v*)（也作CIELUV）色彩空間，L*表示物體亮度，u*和v*是色度，如圖1-7-6(a)所示。于1976年由國際照明委員會（International Commission on Illumination）提出，由CIE XYZ顏色空間經(jīng)簡單變換得到，具有視覺統(tǒng)一性。對于一般的圖像，u*和v*的取值范圍為-100到+100，亮度為0到100。類似的色彩空間有CIELAB，如圖1-7-6(b)所示。

圖1-7-6 不同顏色模式的三維展示

R ggplot2包繪圖默認的顏色主題方案如圖1-7-7所示，色輪為HSLuv顏色模式。HSLuv是相對于HSL顏色空間模式更加人性化的選擇。當把CIELUV顏色空間轉(zhuǎn)換到極坐標系時，就類似于HSL顏色空間模式。它拓展了CIELUV顏色模式，從而新的飽和度（saturation）分量可以允許用戶間隔選擇色度（chroma）。

圖1-7-7 R ggplot2默認顏色主題（HSLuv顏色空間）

但是HSLuv顏色模式又不同于CIELUV LCh顏色模式。CIELUV LCh顏色模式有一部分顏色不能顯示，比如飽和度高的深黃色。圖1-7-7離散的顏色主題也可以通過函數(shù)gg_color_hue(n)獲取，其中n表示輸出的顏色總數(shù)：

        gg_color_hue <- function（n）{hues = seq（15, 375, length = n + 1）; hcl（h = hues, l = 65, c = 100）[1:n]}