色彩原理在信息數據可視化圖表設計中的應用

陳默 沈麗燕 柴惠芳

摘 要：科學技術的發(fā)展促進了人們生活的進步，同時也使人們面對更多的信息和數據，因此，信息設計變得更加重要，如信息圖表和數據可視化。在信息數據可視化設計中，色彩是強大的輔助表現工具，其可以用來編碼定性或定量參數和數據。而如何將色彩原理運用到信息數據可視化設計中，是設計者們較為感興趣的話題。

關鍵詞：信息數據可視化；色彩原理；色彩模型

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0014-03

Application of Color Principle in Visualized Graphic

Design of Information Data

CHEN Mo SHEN Liyan CHAI Huifang

（Information Technology Center， Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310028）

Absrtact： The development of science and technology promotes the progress of people's lives， but also makes people face more information and data. Therefore， information design becomes more important， such as information charts and data visualization. In the visualization design of information data， color is a powerful auxiliary expression tool， which can be used to encode qualitative or quantitative parameters and data. How to apply the color principle to the visualization design of information data is an interesting topic for designers.

Keywords： information data visualization；color principle；color model

色彩是信息數據可視化圖表設計中的重要維度之一，其具有喚起認知和情感的能力。從這個意義上來說，為可視化圖表設計選擇合適的顏色可能會引發(fā)特定的情感，提高人機交互的效果。本文將探討色彩與用戶之間的關系，研究用戶對可視化圖表設計中色彩運用的促進作用，并總結色彩原理在信息數據可視化圖表設計中的使用規(guī)律。

1 信息數據可視化圖表設計和色彩認知

1.1 信息數據可視化概論

近年來，人們對信息數據可視化的興趣激增。在某種程度上，由于廉價的、無處不在的數據的出現，因此，信息數據可視化已經成為探索和解釋科學、醫(yī)學、人文，甚至人們日常生活中產生的數據的常用媒介。隨著為研究人員和學者創(chuàng)建的視覺分析工具的數量和類型的快速增長，數據可視化成為正確理解數據信息的最好方法。信息數據可視化使用靜態(tài)的或者動態(tài)的可視化數據表示來講述一個故事或傳達一個想法，并且通過各種各樣的途徑（包括新聞媒體、博客和藝術）在公共空間中傳播[1]。

1.2 色彩認知

在數據可視化設計中，顏色是吸引用戶閱讀最強大的武器之一，但圖表配色常常讓設計師很頭疼。筆者在設計色板時，也遇到了類似的問題。這里的色彩指的是可視化圖表設計中的分類色板。分類色板是通過不同的顏色區(qū)分數據對象，且不代表任何特定語意。

人們對色彩的認知不僅僅是低層次的感知。人類將顏色劃分為多個逐步提升的抽象層次。對與顏色相關的語言和語義范疇的研究稱為色彩認知。

2 色彩原理模型

2.1 RGB模型

混合紅、綠、藍三種顏色來表現各種顏色的方式稱為RGB色彩模型。所有顏色混合在一起就變成白色，完全沒有顏色的狀態(tài)就變成黑色。RGB顏色模型最早是由托馬斯·楊在1802年提出的理論，并在1850年由赫爾曼·馮·赫姆霍爾茲進一步發(fā)展成為楊格-赫姆霍爾茲三色色覺理論。RGB顏色空間通過RGB三個顏色通道的變化以及其相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色的。紅綠藍是最常用的色彩空間為加型色彩空間，相關設備基于三原色原理，通過紅、綠、藍3種顏色描述其他顏色[2]。

2.2 CMYK模型

由青、品紅、黃三色的粒子互相混合表現色彩的方式稱為減色組合，通常都會加入黑色油墨，并稱為CMYK色彩，適用于印刷工業(yè)。在工廠中，用高分辨率的打印設備輸出本地制作的文件，原理等同于減去油墨本身的顏色。1719年，Jacob Christoph Le Blon申請了第一個實用的三原色復制過程的專利，其實際上使用了一個類似于CMYK的RYBK顏色模型。

2.3 RYB模型

歌德（Johann Wolfgang von Goethe）于1810年發(fā)表的《色彩理論》（Theory of Colors）一書被認為是對RYB顏色理論的第一個基本總結。RYB：紅、黃、藍，構成了標準藝術家色輪中的原色三合一模型。Johannes Itten于1973年提出的RYB顏色模型在藝術教育中廣泛使用，其中紅色、黃色和藍色被定義為減色法三原色。Gossett和Chen于2004年提出了一種基于三原色之間三線性插值的RGB顏色空間到RYB顏色空間的轉換方法。然而，這些轉換方法是不可逆的[3]。

2.4 CMYKOG模型

色彩學上除了以上三種色彩模型，有時還會開發(fā)其他顏色模型來支持特定的輸出設備，如六色印刷工藝（CMYKOG模型）：青色、品紅、黃色、黑、橙和綠。

3 色彩術語

3.1 色彩模型+色域=色彩空間

色域是指在特定環(huán)境中可以精確表示顏色的子集。sRGB色域設備（如移動電話）的色域是灰色的，外面的部分表示可用的全部顏色范圍[4]。

例如：RGB模型+色域=色空間，與RGB顏色空間的色譜比較，此圖像顯示sRGB、Adobe RGB和ProPhoto RGB顏色空間。CMYK顏色空間被標記類似于特種紙。

3.2 曼塞爾顏色體系

阿爾伯特·曼塞爾色彩系統(tǒng)是指色相、明度和純度之間的關系。19世紀90年代末和20世紀初，阿爾伯特·曼塞爾提出3D色彩空間。色相是指5種主色調：紅色、黃色、綠色、藍色和紫色。明度是指底部為黑色（值0），頂部為白色（值10），一般理解為顏色的明暗關系，類似素描中表現的形式，即黑白灰的關系。純度是指從每個薄片的中心呈放射狀測量。較低的色度值不那么純凈，更像柔和的粉彩。純度可以理解為色彩的鮮艷程度。

3.3 潘通色卡的顏色體系

潘通色卡是當今交流色彩信息的國際統(tǒng)一標準語言，潘通配色系統(tǒng)是標準化顏色體系的代表。由分配號指定的1114色如“PMS 3527 CP”來定義一個具體的顏色。CMYK彩印過程有效地再現了潘通顏色的一個特殊子集。大多數潘通集無法用CMYK進行模擬，并且超出了CMYK的范圍。2001年，潘通開始將其專有系統(tǒng)翻譯成RGB值。潘通工作室應用程序為潘通顏色提供sRGB、CMYK和十六進制值。

潘通工作室APP成為應用色彩理論的標桿。如今，使用潘通工作室移動應用程序檢查數字圖像的配色方案，以影響印刷媒體。這款應用的基本版本在iOS平臺上是免費的。

4 色彩原理在信息數據可視化圖表設計中的應用

4.1 主色和輔助色色彩和諧原則

圖1是浙江大學校園網建設的情況，數據展示了2012—2017年用戶上網總流量。筆者在色輪上選取1個主色，在主色對面選取另外2個主色的對面色，稱為輔助色。其中，主色為檸檬黃，輔助色為藍色和紫色。由這3個顏色創(chuàng)作的數據圖表，主色黃色在中間起到了凸顯的作用，這得益于主色和輔助色之間的利用，整體色調也是很和諧的。

4.2 間隔色的色彩和諧原則

圖2是浙江大學2012—2017郵箱容量和郵件數量情況。筆者在色輪中選擇2個相隔的顏色，用于圖表中的效果如圖2所示，帶黃色和紅色的色調，視覺上屬于暖色調，看起來很舒服。

4.3 互補色的色彩和諧原則

圖3是浙江大學2012—2017年運維服務現場處理工單平均時長情況。在色輪中選取2個主色，這2個主色分別互補，位于色輪的對面，在色輪的第二圈選取這2個顏色的低明度的顏色。設計一個二維條形圖，這個設計的互補在色調的運用中起到了關鍵作用。

4.4 三界色色彩和諧原則

三界色是指三位一體的顏色。這3種顏色在色輪上相距的位置正好相等。圖4是浙江大學知源網2014—2017年統(tǒng)一搜索資源量。利用三界色（青色、品紅、黃）的色調，這樣的取色可以讓代表的3個元素在色彩純度上區(qū)分開來，能讓人一眼很直觀地看到分別代表的元素的變化和位置關系。

4.5 四角色色彩和諧原則

四角色是指選取的4種顏色在色輪上的距離相等。2011—2017年浙江大學校園卡建設中校園卡賬戶變動圖的設計（見圖5），利用了四角色的取色原則，選取了黃色、藍色、綠色和洋紅所組成的色調。仔細觀察，四角色原則就是運用了兩次互補色原則，在元素多的情況下使用同樣能達到很和諧的色調效果。

5 結語

本文研究了色彩理論的基礎和色彩模型，以及這些方法如何應用于建立有效的可視化數據圖表。此外，還定義了顏色和諧，并演示了顏色和諧在案例研究中的應用，介紹了潘通配色系統(tǒng)和曼塞爾色相系統(tǒng)。

在大數據時代下，可視化設計越來越重要，色彩是可視化圖表設計中的一個重要元素，如何運用色彩原理去指導可視化的設計不能被忽略。在具體設計過程中，希望設計師和可視化設計者及時總結用戶的反饋，結合色彩原理不斷改進設計，從而促進和提升可視化方案的設計，增加用戶的體驗感。

參考文獻：

[1] Dur B [I] U. Data Visualization and Infographics In Visual Communication Design Education at The Age of Information[J]. Journal of Arts and Humanities，2014（5）：39-50.

[2]張康，Ammeraal L，王長波.計算機圖形學原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]Sugita J， Takahashi T. Paint-like Compositing Based on RYB Color Model[J].Acm Siggraph ACM，2015（9）：1.

[4]Krauskopf J，Williams D R，Heeley D W. Cardinal Directions of Color Space[J]. Vision Research，1982（9）：1123.