CN110163923A - 基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，属于风景园林学色彩分析领域。本发明在提取建成环境要素固有色度数据的基础上，将色度数据转换为人机共享的HSB色彩数据，包括色相值(H)、饱和度值(S)、亮度值(B)，通过颜色三要素数字化的定量描述，分析建成环境中景观构成要素的色彩、色彩变化以及色彩构成，对景观色彩规划设计的颜色比选和组织做出评价。本发明首次在户外环境色彩分析中，通过物质固有色度的数字化检测和色彩三要素的数字化转换，实现了定量描述建成环境色彩构成的目标，且转换过程中保证了色彩描述的客观、科学、有效、可控，避免了设计师依靠视觉感受描述和判定景观要素色彩所产生的“同色异谱”问题。

Description

基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法

技术领域

本发明涉及建筑、城市、风景园林环境的色彩分析技术领域，具体涉及一种基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法。

背景技术

色彩是光产生的客观现象，是物质吸收和反射光波的物理过程，波长不同的电磁波决定了人眼感知颜色的类型；同时，色彩也是一种客观感知过程，光波刺激人眼的色感细胞，在大脑中产生了关于颜色类型、构成、效果的意识，并通过联觉过程催生出文化、情感、审美的主观意识。所谓建成环境(built environment)是指包括大型城市环境在内的为人类活动而提供的人造环境。是由城市中已建成的城墙、街道、桥梁、建筑物、构筑物等构成的环境，也包括城市周边风景区中的非自然环境。建成环境中物质构成的景观色彩效果，决定了人眼获得的色彩审美感受。研究表明，优美和谐的色彩能够给人们带来心旷神怡的感受，而杂乱无章的色彩则会使人感到头晕目眩、心绪烦躁。长期生活在眼花缭乱的色彩环境中会对人们的生理、心里造成损害，严重的色彩污染则影响居民的生存质量和居住品质。色彩污染和噪声污染、大气污染一样，正在引起越来越多的关注，人们希望降低色彩污染，美化人居环境，从而产生了色彩构成这样一门基于人的审美标准和目标需求而进行色彩搭配研究的科学。

目前国内外色彩设计领域普遍使用孟塞尔颜色系统(Munsell Color System)作为色彩科学的分类和标定方法。孟塞尔颜色系统是A.H.Munsell根据颜色的人眼感知特征制定的色彩分类和标定系统，是对歌德《颜色论》的拓展和延伸，它基于色彩视觉感受的色相、明度和纯度(HV/C)三个值，从人类生理和心理角度出发，来表达和计量色彩和色彩构成效果的颜色空间。孟塞尔颜色系统，以及其后的颜色标记体系，都是依靠人眼测量的视觉判定，并基于一定的定性分类模型来标记色彩。这种色彩计量模型仍然是依靠人的主观理解和感受来定义物质颜色的，跟物质本身的色彩属性没有关联。而从环境中物质色彩认知的现实状况来看，不同的人对同一色彩的感受可能并不相同，特别是在不同的光照条件下，人眼视觉认知颜色的不确定性会带来设计效果的偏差。实际上物质的色彩属性是固有的，不以人的感觉、感受为转移，也不以个体对色彩感知的强弱而变化，因此如何对色彩进行定量的计量和描述，使现实环境中物质色彩设计搭配更趋向定量表达，从而摆脱单纯主观认知判断的差异，是当前环境规划设计领域亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，能够对环境要素的色彩和色彩构成效果进行定性定量的计量和评价。

技术方案：本发明所述的一种基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，包括以下步骤：

S10、基于CIE颜色空间，采用色彩数字化检测设备提取环境要素固有的色度数据并记录；

S20、将色度数据转换为基于HSB颜色空间的色相值(H)、饱和度值(S)、亮度值(B)；

S30、基于数字化的三要素值定量描述建成环境中景观要素的色彩、色彩变化以及色彩构成。

优选地，所述步骤S10包括以下步骤：

S11、通过仪器自带白板对分光测色仪和色彩亮度计、色彩照度计进行校正，并使用照度计对取样要素周边环境光强度、照度、色温进行测量，确保采集光照条件满足满足人工模拟光源D65标准，环境光色温为6500K；

S12、使用分光测色仪去接触或贴合造景环境要素表面进行接触式取色测量，获取色彩CIElab数据；使用色彩亮度计对环境中不可接触的要素进行色彩非接触式测量，获取色彩CIExyz数据；

S13、对所采集的数据进行色样与对象对应的编码，包括：对被测色彩要素种类、名称进行类型分类记录，对建成环境中的单体雕塑、构筑物、小品按材料和数量按单独分类类型记录，对多色彩集合的植物、建筑物的多色彩集合则单独建立记录文档。

优选地，所述步骤S13还包括，回到实验室中，对所测得不同要素的色度数值按项目、类型、部分的层级顺序进行分级标号记录归档。

优选地，所述步骤S10中采集的时间为：在一天中取样时间设置为10:00-12:00与14:00-16:00之间，一年中取样时间设置为每个季度或每个月份的指定时段内。

优选地，所述步骤S20中将色度数据转换为HSB色彩三要素数据包括以下步骤：

S21、基于CIExyz值与Lab值的数学换算公式编写计算机程序，实现CIExyz数据到Lab数据的转化；

S22、运用Adobe photoshop软件实现Lab数据与HSB数据的相互转换，以及HSB数据与RGB数据的相互转化。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于三要素数字化定量描述景观色彩的方法，具备以下优势：

1、首次通过色彩三要素的数字化检测和转换实现了定量描述建成环境色彩构成，保证建成环境构成要素色彩“识别-选取-比选-应用”不受人为识色的主观影响，景观色彩客观、科学、准确计量，为人工景观营造过程中色彩“识别-评价-构成-实施”提供了定量分析的依据。

2、三要素数值基于数字化分光测色设备测量，从景观要素物理光谱检测的色度数据转化而来，使建成环境的色彩采集可以在定量分析光照环境的条件下，参照标准照度值、色温值，使用CIE颜色空间的数字化标准模型，量化环境要素固有的物质光谱属性，获得数字化的色彩计量效果。通过对色彩效果定性定量的客观分析，可以避免人眼视觉机能和主观感性认知带来的色彩偏差，即“同色异谱”现象。

3、三要素数值的转换方法和HSB数据人机共享的操作特征为景观设计师进行色彩规划设计提供了客观的依据，能通过数字化操作，对色彩构成设计进行数据的比选分析，决定景观要素组织，初步实现了景观色彩规划设计的数字化。

附图说明

图1是根据本发明方法的流程框图；

图2是根据本发明实施例的环境要素色度数据采集现场工作流程；；

图3是根据本发明实施例的色彩亮度计最佳观察者视角示意图；

图4是根据本发明实施例的使用软件进行色度数据转换的示意图；

图5是根据本发明实施例的对某景区进行色彩分析的过程示意图；

图6是根据本发明实施例的对某广场的建成环境景观进行色彩分析的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

客观而言，建成环境的色彩是具有特定地域环境、特定的建构场所的制约，而唯一共有的属性是，所有建成环境中要素的色彩，在白昼都受到太阳光的照射，并呈现出来色彩。对于人眼观赏而言，每一个视觉界面内的色彩，都是环境要素定时定点的光谱集合，光变则色变，因此，依靠人眼识色、辩色都是不准确的。要想从本质上认知这些客观存在的色彩，必须运用色度学的测量理论，以光谱曲线的拟合原理为基础，使用分光测色仪器提取每一种环境要素的光谱数据。换言之，环境中呈现的景观色彩构成效果，需要用客观物理量化的色度值来计量，而色度数据只与物质的光谱波长有关，而与人眼视觉无关。而这种色度数据可以通过数字化的方法转换为色彩分类的定性描述数据，从而解释描述环境要素给人眼带来的颜色效果。

参照图1，一种基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，包括以下步骤：

S10、在室外光照度接近D65标准环境光照标准的情况下，使用分光测色设备提取建成环境中各类要素的光谱色度数据，以CIE颜色空间的LAB/XYZ数据计量。

CIE颜色空间是绝对计量的色彩计量空间，以可见光波的波长为依据，以色彩的光谱全阈值定义这一数学计量模型，是最标准、最科学的单一色彩量化表达式，CIE颜色系统有三种色度表达式，分别是xyz、Luv、Lab。随着色彩在工业领域大量的生产和复制，为了评价和测量物质的绝对色彩数据，出现了基于光谱分光测量的色彩检测仪器，包括分光测色计、色彩亮度计、分光照度计等等数字化设备，使物质的色度计量不再受到光源变化的影响，统一为绝对计量数据。

在实施例中，采用柯尼卡美能达便携式分光测色仪(CM-700d)、色彩亮度计(CS-200)、孟塞尔颜色系统(Munsell Color System)标准色卡进行环境要素的色度数据的检测与采集，参照图2描述其具体过程如下。

采集条件：为保证采集结果的准确性，要控制采集要素色度数据的环境光照影响。依据CIE(Commission Internationale de L'Eclairage)国际照明委员会规定的人工模拟光源分类，D65标准照明体的人造光源是最接近于蓝天日光，色温：6500K。在户外环境中，使用色彩照度计定点测量照度值最为接近D65标准值时，是最适合采集色度数据的场所条件。因此，使用分光测色设备时，针对天空、水体的色度数据采集尽量选择能见度较好的晴空光照条件，避开太阳直射和阴影等状况，杜绝环境因素对色度数据采集的干扰。

采集时间：由于一天中不同时间段的太阳光照强度、入射角度、日光色温差异很大，因此，在一天的取样时间应尽量选择在10:00-12:00与14:00-16：00之间。而清晨傍晚、阴晴雨雪天气气候条件下的测量数据可作为特殊自然景观的特例加以记录。尤其是植物色彩随季节变化而变化，取样时需按四个季度划分为四个采集时段，或者细分为在12个月份取样。

设备调试：包括(1)白板校正，通过仪器自带白板对分光测色仪和色彩亮度计、色彩照度计进行校正，以保证在检测中色度数据的准确性；以及(2)测试天空光照度情况，对取样要素周边环境色温信息进行记录，对于光强度、照度、色温的测量，使用柯尼卡美能达分光照度计(CL-500)测试，通常选择对象前、后、左右、上等五个方向上的样点作为测试条件的基本信息进行综合考评。

实施测量：在完成上述准备工作后，使用分光测色仪接触式采集，色彩亮度计非接触式采集。其中，使用分光测色仪进行取色时，应接触、贴合被测造景要素表面；亮度计采用非接触测量方式，其测试距离为5m至无穷远，但为了保证色彩样品测试数值的准确性，测试距离应结合现场测量对象而选取适当的测试距离。使用柯尼卡美能达色彩亮度计CS-200对环境中不可接触的要素进行色彩测量，获取色彩XYZ数据。

如图3所示，色彩亮度计中存在2°/1°/0.2°/0.1°四种测试角切换模式，测试角的大小与被测物体的大小与精度存在直接的关系。0.1°视场主要针对极其微小的物体或细节进行测试，但对于面积较大的物体色彩，应选用覆盖面较大的测试角，反映出色彩的整体面貌。

数据记录：对所采集的数据，进行色样与对象对应编码，应对被测色彩要素种类、名称进行类型分类记录，对建成环境中的单体雕塑、构筑物、小品应按材料和设计数量单独分类记录。针对植物、建筑物等多色彩集合，应正对其单独建立记录文档，对所测得的不同要素光色度数值应按项目分级标号记录。

S20、将采集的色度数据进行数字化的转译，实现色度数据与色彩数据的对照统一，色度数据的获得是采用CIElab颜色空间的计量方式，并不能满足人眼使用和辨识色彩的习惯，即三要素法。同时，CIElab颜色空间作为一种纯数学模型的计量色彩公式，不利于计算机的使用，更不符合计算机色彩显示运作的模式(基于RGB模式的色彩显示)。

因此，在获得建成环境要素色度数据的前提下，将色度数据换算为符合人眼视觉对色彩描述习惯的HSB三要素(色相、饱和度、亮度)数据，将物质光谱显色、视觉色彩感受、计算机色彩分析进行统一整合，实现对环境要素色彩构成分析的数字化计量方法，尤其重要。这一过程是根据需要选择色彩数据转译方法的，包括的类型有：(1)CIExyz转换为Lab数据，实现色度的统一值；(2)Lab数据与HSB数据的相互转换；(3)HSB数据与RGB数据的相互转化。

在进行(1)时，基于数学公式编写计算机程序进行转化，保证色度值互转的准确性，在进行(2)、(3)转换时，可以运用Adobe photoshop等软件，实现数据相互转化，通过计算机软件进行数据转换，可以实现三要素值在人与计算机设备之间的人机共享，为设计师分析和比选色彩数据，提供模拟分析和量化评价的数据平台。

在一个实施例中，转换方法具体包括如下步骤：

S21、将CIE色度空间的XYZ数值转换为LAB数据。

根据CIE色度空间标准公式，将XYZ数据换算为LAB数据，该过程也可由柯尼卡美能达CS-288分光色差仪来完成。

理论换算公式为：

其中:

Xn、Yn、Zn是参照白点CIExyz三色刺激值，(n为Observer＝2°,Illuminant＝D65的正常情况下，)

计算过程中，Xn＝95.047、Yn＝100、Zn＝108.883。

该函数公式的计算过程，是将XYZ设置为变量，取D65标准光照的正常情况下，白点的刺激值进行计算，求对应的Lab值。

具体计算步骤：

1.CIE-L*＝var_Y*116-16

2.CIE-a*＝(var_X-var_Y)*500

3.CIE-b*＝(var_Y-var_Z)*200

4.if(var_Y^3>0.008856)var_Y＝var_Y^3

5.else var_Y＝(var_Y-16/116)/7.787

6.if(var_X^3>0.008856)var_X＝var_X^3

7.else var_X＝(var_X-16/116)/7.787

8.if(var_Z^3>0.008856)var_Z＝var_Z^3

9.else var_Z＝(var_Z-16/116)/7.787

10.X＝ref_X*var_X//ref_X＝95.047，Observer＝2°,Illuminant＝D65

11.Y＝ref_Y*var_Y//ref_Y＝100.000

12.Z＝ref_Z*var_Z//ref_Z＝108.883

S22、再进行各个要素的色度数据的Lab值转化，使用Adobe photoshop软件将设备获取的CIE色度空间值Lab数据录入色彩空间工具栏，自动转化为HSB色彩空间标准数据。在将Lab数据转换为HSB色彩数据的过程中，将采集数据按研究空间、界面、序列的构成要素类别，按照采集编号分别录入计算机。

具体步骤：参照图4，打开Adobe photoshop软件，选择工具栏上设置前景色色块，打开拾色器面板，在面板中输入Lab数据，同时会出现对应的HSB\RGB\CMYK数据。

S23、HSB与RGB互转的过程可参见S22。

S30、基于色度数据LAB数值转化而来的色相值(H)、饱和度值(S)、亮度值(B)三要素的数据，使设计师可以定量描述景观环境中构成要素的色彩效果，并且可在计算机辅助设计中通过建立空间环境模型实时的显示模拟色彩构成效果。建成环境是由各种物质要素构成，每一种物质都有自己固有的色彩属性，通过转换的三要素值来描述其色彩是科学客观的方法，避免了基于人的主观感觉描述所导致的偏差。对于一个特定的建成环境有很多物质要素的构成，就具有了色彩构成的效果，这种色彩构成的效果具有时间和空间的色彩变化规律，例如，城市公园一年四季的色彩景观。运用三要素法描述单一要素的色彩效果，是描述特定空间环境各类要素聚集产生色彩构成、色彩变化效果的基础。

参见图5，在一个实施例中，使用柯尼卡美能达cm-700接触式测量中山陵景区小品自助留影机的外观颜色，同时测量景区地面铺装、建筑立面；使用柯尼卡美能达cs-200色彩亮度计，以2°观察者视角非接触式测量中山陵园主体建筑屋面的色彩LAB、XYZ数据，将分光测色设备获取的CIE色度空间值LAB、XYZ数据转化为HSB色彩标准数据。基于色相值(H)、饱和度值(S)、亮度值(B)三要素的数据分析，定量描述景园环境中小品的色彩效果在环境中是否得当，并给出色彩构成的解决方案。

基于分光设备的色度数据检测，为建成环境单一要素的色彩描述提供客观依据，实现要素色度数据转换为HSB色彩效果量化数据，是为了更利于色彩描述的人机共享沟通，其核心是基于色相值(H)、饱和度值(S)、亮度值(B)三要素的数值计量，这种色彩效果的定量描述即符合人眼描述色彩的习惯，同兼顾了客观认知色彩的科学规律。

相对于通过色相值(H)、饱和度值(S)、亮度值(B)三要素的数值描述恒定要素的色彩构成过程，建成环境中还需要大量非恒定要素的色彩变化进行描述，需要对环境要素进行定性定量的分类研究，既包括从时间变化规律的梳理，也包括对空间变化规律的客观分析。

参照图6，根据本发明的另一实施例，通过分析东南大学中央大礼堂前广场一年四季的色彩变化规律，分析出环境要素中植物(主要是梧桐树叶)的色彩在特定时间、空间的季相光照、郁闭等等条件下的色彩构成效果，基于三要素的色彩数字化定量色彩描述方法可以科学描述景观环境色彩规律性的动态变化特征，需要注意的是在动态观赏视角下，建成环境色彩研究需要根据场所的现状游憩条件找出具有针对性的色彩观赏路径，进行统计分类。

具体实施步骤：选定东南大学中央大礼堂前广场的建成环境景观空间界面，使用柯尼卡美能达cm-700d分光测色仪、cs-200色彩亮度计对环境中的建筑立面、天空、水面、进行取色，并针对植物一年四季的色彩变化进行不同时段的色度数据提取，使用adobephotoshop软件，将CIELAB\XYZ色度数据转换为HSB三要素数值，通过三要素的数值对比，研究在不同季节中东南大学中央大礼堂前广场色彩构成效果的组织效果，通过三要素法的描述，从色相值的差别、饱和度值的差别、亮度值的差别来可以解释，在春秋两季东南大学中央大礼堂前广场景观色彩效果更加优秀的科学原因。

Claims (5)

1.一种基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、基于CIE颜色空间定义，采用色彩数字化检测设备提取环境要素固有的色度数据并记录；

S20、将色度数据转换为基于HSB颜色空间定义的色相值、饱和度值、亮度值；

S30、基于数字化的三要素值定量描述建成环境中景观构成要素的色彩、色彩变化以及色彩构成。

2.根据权利要求1所述的基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，其特征在于，所述步骤S10包括以下步骤：

S11、通过仪器自带白板对分光测色仪和色彩亮度计、色彩照度计进行校正，并使用照度计对取样要素周边环境光强度、照度、色温进行测量，确保光照条件满足人工模拟光源D65标准，环境光色温为6500K；

S12、使用分光测色仪去接触或贴合环境要素表面进行接触式测量，获取色彩CIElab数据；使用色彩亮度计对环境中不可接触的要素进行非接触式测量，获取色彩CIExyz数据；

S13、对所采集的数据进行色样与对象对应的编码，包括：对被测色彩要素种类、名称进行分类记录，对建成环境中的单体雕塑、构筑物、小品按材料和数量按单独类型记录，对多色彩集合的植物、建筑物则单独建立记录文档。

3.根据权利要求2所述的基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，其特征在于，所述步骤S13还包括，对所测得不同要素的色度数值按项目、类型、部分的层级顺序进行分级标号记录归档。

4.根据权利要求2所述的基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，其特征在于，所述步骤S10中采集的时间为：在一天中取样时间设置为10:00-12:00与14:00-16:00之间，一年中取样时间设置为每个季度或每个月份的指定时段。

5.根据权利要求1所述的基于三要素法定量描述建成环境色彩的方法，其特征在于，所述步骤S20中将色度数据转换为HSB色彩三要素数据包括以下步骤：

S21、基于CIExyz值与Lab值的数学换算公式编写计算机程序，实现CIExyz数据到Lab数据的转化；

S22、运用Adobe photoshop软件实现Lab数据与HSB数据的相互转换，以及HSB数据与RGB数据的相互转化。