维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ期 姚小清等：基于三维色立体的计算机辅助色彩设计 ・２ｌ３・ 基于三维色立体的计算机辅助色彩设计 姚小清 ，陆长德 ，苟秉宸 ，周宪 （１．西北工业大学工业设计研究所，陕西西安７１００７２；２．华北电力大学机械工程系，河北保定０７１０００） 摘要：通过分析现有色彩设计工具的研究现状和不足，提出了一套基于色立体的产品色彩设计策略。讨论了 相关的关键技术；基于可视化色彩模型的自由选色；色立体调和规则功能函数实现的色彩调和；与色立体对应的 色彩语义配置；体现色立体信息特征的色彩方案库构建与管理。基于上述策略和技术开发了基于三维色立体的 计算机辅助色彩设计系统框架。 关键词：色立体；可视化；色彩语义；色彩方案；计算机辅助色彩设计 中图法分类号：ＴＰ３９１．７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．３６９５（２００７）０１．０２１３—０２ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｃｏｌｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３ Ｄ Ｃｏｌｏｒ Ｓｏｌｉｄ ＹＡＯ Ｘｉａｏ－ｑｉｎｇ 一，ＬＵ Ｃｈａｎｇ－ｄｅ ，ＧＯＵ Ｂｉｎｇ—ｃｈｅｎ ，ＺＨＯＵ Ｘｉａｎ （１．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’Ⅱｎ Ｓｈａｎｘｉ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０７ １０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉａ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏｏｌｓ，ａ ｎｅｗ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ ｃｏｌｏｒ ｄｅ－ ｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｌｏｒ ｓｏｌｉｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｉｎｃｌｕｄｅ：ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｖｉｓｉｂｌｅ ｃｏｌｏｒ ｓｏｌｉｄｓ ｔｏ ｇｅｔ ｃｏｌｏｒ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｆｕｎｃ— ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｌｏｒ ｈａｒｍｏｎｙ ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｌｏｒ ｈａｒｍｏｎｙ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｃｏｌｏｒ ｓｅｍａｎｔｉｃ ｓｐａｃｅ ａｎｄ ｃｏｌｏｒ ｓｃｈｅｍｅ ｄａｔａｂａｓｅ ｔｏ ｒｅａ— ｌｉｚｉｎｇ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｃｏｌｏｒ．Ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｃｏｌｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｌｏｒ Ｓｏｌｉｄ；Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；Ｃｏｌｏｒ Ｓｅｍａｎｔｉｃ；Ｃｏｌｏｒ Ｓｃｈｅｍｅ；Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｃｏｌｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ 计算机辅助色彩设计（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｃｏｌｏｒ Ｄｅｓｉｇｎ， 为苛刻，并比较耗费时间和能源。 ＣＡＣＤ）主要是利用计算机辅助手段解决工业设计中的色彩设 （３）基于语义方法的色彩配置没有与色立体联系。有关 计问题。一般的设计软件均有简单的色彩设计辅助功能，在研 色彩语义的研究主要是建立语义空间与色彩模板之间的对应 究领域中也有大量的针对色彩设计方法和理论的研究，及针对 关系 Ｊ，没有涉及将色彩语义空问与标准色体系之间建立对 这些研究开发的相应软件系统 。然而，较之于利用传统色 应关系的内容。 体系配色的模式，基于ＲＧＢ模型进行选色及色彩设计具有信 （４）色彩设计知识重用没有与色立体联系。在相关文献 息量繁多、色彩问没有直观联系等不足；同时单纯利用传统色 中对色彩方案库已有很多的阐述 Ｊ，但这些研究往往都是基 体系样本选色叉不能适应现代设计与制造的数字化需求。因 于知识表达的研究，忽略了色彩方案的整体意向与色彩在色体 此研究如何更好地利用传统的色体系，并将传统色彩设计理论 系中的位置关系。 及方法与现代计算机辅助设计相结合仍然是这个领域研究的 因此笔者在国家高技术发展计划项目“面向行业典型产 热点 。 品的三维数字化设计专用系统及工具集”关于计算机辅助色 １ 问题提出 彩设计的研究中，针对以上问题进行了研究并研发了相应的色 彩设计工具。 仔细分析，现代未引入色立体概念的计算机辅助色彩设计 主要存在以下问题： ２系统设计 （１）软件系统中色彩模型缺乏直观性。现在软件中的色 本系统选取了四种色彩体系，即孟塞尔色体系（Ｍｕｎｓｅｌｌ’Ｓ 彩模 主要为ＲＧＢ，ＣＭＹＫ，ＣＩＥＬａｂ等，尽管这些模型包括的色 Ｃｏｌｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ）、奥斯特瓦德色体系（Ｏｓｔｗａｌｄ’Ｓ Ｃｏｌｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ）、日 彩域很广，但对于设计师来说，他们既不易感知到色彩与空间 本色彩研究所色体系（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏ—ｏｒｄｉｎａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）和中 的关系。也很难掌握色彩的分布规律。 国颜色体系（Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｃｏｌｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ）作为研究对象，构建了 （２）对后继色彩工艺要求严格。基于上述模型的色彩选 四个系统模块。系统结构如图１所示。 择，丰富了色彩方案中色彩的数目，但对色彩工艺技术要求更 整个系统以色立体为研究载体，在每个系统模块下均有自 己的模块功能及子功能，其中功能模块涵盖了色彩设计的色彩 收稿日期：２００５－０９・０７：修返１３期：２００５—１２—２０ 选取、色彩调和、语义配色以及色彩方案管理四个方面的内容。 基金项目：国家航空基金资助项目（０３Ｂ５３０３４）；国家“８６３”计 （１）色彩选取：在可视化的三维色立体模型上任意选择色 划资助项目（２００２ＡＡ４１１０３０） 彩，并通过降维方法得到更多的色彩信息，最终以多种色彩模 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２１４・ 计算机应用研究 ２００７矩 式的表达方式显示色彩选取的结果。 立每一个调和规则与色彩标号之间的映射关系，进而确定对应 Ｃ０ｌ０ｒ Ｓｖ８ｔｅｓｍｅ Ｉ ｌ ＣｏＯｌｓｏｔｒｗ Ｓａｌｙｄｓｔ＇ｅｓ ｆｍ ｌ … ｌＰｃＣｓ Ｉ№“ Ｓｓｅｙｌｌｓｔ＇ｅｓｍ Ｃ Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｃ０１０ｒｓｖ８Ｉｅｍ于各调和规则程序的算法，并依据算法为每一项调和规则建立 对应的功能函数。如图３所示为奥斯特瓦德的色体系中同色 相等白量调和（第一个字母均为ｎ）。首先遍历搜索色体系所 用色彩中同色相的数据，然后继续在这些数据中筛选出所有 色彩选取Ｉ Ｉ调和配色 ｌ色彩方案ｌ＝ 二＝３［二色立体可视化表达Ｉ ｌ调和规则的 降维显示 ｌｌ知识表达 色彩拾取 ｌ１调和规则程 多模式色彩数值显Ｉ Ｉ序实现 示 基于色立体色彩 色彩方案提取 语义空间 色彩的标号匹配 语义坐标与色体 系对应关系 基于语义空问与 色彩方案语义设置 基于语义辞典的 方案查询 ｔａｂ：＝ｎ的色彩信息，并按照序列排列以图形化形式显示。 具体色彩调和操作流程如图４所示。用户在经过初步调 和条件的设定后，通过程序调用调和功能函数进行处理， ｌ ｌ调和方案图 形化表示 ｌ Ｉ色体系配色 图１系统结构图 （２）调和配色：用计算机辅助手段来实现色体系的调和规 并最终得到调和结果。系统中各色体系的调和流程基本与图 则，通过设定相应的调和条件及调和过程中条件实时调整获得 符合要求的色彩配置方案。 （３）语义配色：建立色彩体系坐标与色彩语义空间三坐标 值的对应关系，用理性化手段表达感性化需求，通过感性语义 描述直接得到符合要求的色彩。 （４）色彩方案管理：通过色彩提取、色彩匹配及色彩风格 语义描述建立基于色立体标号标志的色彩方案库，并可通过色 彩语义辞典查询色彩方案。 ３ 系统实现及关键技术 根据以上分析，本文基于ＣＡＸＡ平台采用ＶＣ＋＋和Ｏｐｅｎ— ＧＬ开发工具建立了一套基于三维色立体的计算机辅助色彩设 计系统。 ３．１ 基于可视化色彩模型的自由选色 建立用于可视化编程的色彩体系数据结构如下（以孟塞 尔色体系为例）： ＣｏｌｏｒＳｙｓｔｅｍＭｕｎｓｅｌｌ＝｛ｔａｂｌ，ｔａｂ２，ｔｂａ３， ，ｙ，Ｙ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，ｃｏｏｒｄ１， ｃｏｏＭ２，ｃｏｏｒｄ３ｆ 其中０—２项对应色块在本体系中的标号，通过查询色彩样本 球的数据得到；３—５项对应ＣＩＥｘｙＹ的坐标值，通过查询色彩 样本球的数据得到；６—８项对应该色块的ＲＧＢ三个值，通过 将其对应的３—５项值按式（１）和式（２）经过计算获得： ＝÷ｌ，， ，ｙ＝Ｙ ｚ： ，， 。 （１） ｌＬＢ。。。Ｇ Ｊｌ ＝１．Ｌ００ ２９６ ３ ０３９ ９ ０ ６１９ ２０ ．１４２ ６ １０ ０８４ ５ ． ０１６ ６ ］． ． Ｊ １ 一 ＹｌＬ ＺＪ ｌ ｃ（）２ ． ９—１１项对应该色块主要点在几何空间中的直角坐标，通过将 ０—２项与直角坐标按照规律建立映射获得。其他的色体系的 数据描述及其各项数值的计算方法与上述相同。基于以上数 据绘制色立体，图２为可视化的奥斯特瓦德的色立体。 基于降维显示的可视化色立体自由选色是一种逐步求精 的过程，首先由色立体的三维立体模型上表层某色块的信息映 射同色相的属性页信息及同明度的属性页信息，并以图形的形 式显示，从而用户可在图形上精确选取色彩。最后的色彩选取 结果除了自身的标号外还以多形式信息显示，主要包括 ＣＩＥＬａｂ，ＲＧＢ，ＣＭＹＫ及ＨＳＶ四种模式，以保证色彩的多用途 使用。其中对应的各种色彩模式转换主要以每个色块的ＲＧＢ 及ＣＩＥｘｙＹ值为原始数据，根据各个色彩模式之间的转换关系 分别建立相应的功能函数。 ３．２调和配色实现 将各色体系的调和规则采用数理化的方法予以表达，并建 中所示一致，唯一不同的是每个体系对应的调和功能函数不 同。 预调和色彩数目卜＿ ● 主色调 ｉ调和方式 启动调和功能函数ｌ ● 调和结果 ｌ 图２可视化的 图３同色相等 奥斯特瓦德色立体 白量调和 图４调和配色流程图 ３．３基于语义空间的色彩配置 色彩的语义是一个的概念，即同一个色彩可由多个形 容词描述，但语义空间维数过多会使色彩与语义关系的确定变 得异常复杂。因此在本文选定三个基本的色彩语义（清～浊、 冷一暖、软一硬），其中清浊基本与色彩的纯度有关，软硬主要 与色彩明度有关，而冷暖主要由色彩的色相决定 Ｊ。根据这 个结论便可以建立色彩上述的三个基本值与语义空间中三个 坐标值的对应关系，从而确定色体系中各色块在语义空间中的 位置，如图５所示。 图５所示的Ｃｏｌｏｒ 在语义空间中的坐标为（ ，Ｙ，ｚ）且对应 于盂塞尔体系中的标号ＨＶ／Ｃ，这样就可以对任意的色彩给予 基于三维语义的描述评价，也可以通过设定语义描述在色彩语 义空间中选定色彩。 ３．４色彩方案库管理实现 通过色彩方案的提取将现有案例中的色彩抽象出来，然后 将提取到的色彩利用色彩匹配功能取得对应于孟塞尔色体系 中的标号，最后添加色彩风格语义描述完成建库。其中色彩匹 配的实现：首先获取要匹配色彩的ＲＧＢ值并将其转换为ＨＶＣ 的值，再将ＨＶＣ的值与孟塞尔色体系中的标准符号比较。如 果没有恰好与之相符的，则采用内插值法来确定与要匹配色彩 最接近的标准色彩标号。 对色彩方案的查询主要是依据建库时建立的方案库与风 格语义辞典的关联，通过查询风格语义辞典搜索色彩方案数据 库中所有符合条件的色彩方案，最终将含有语义描述信息及色 彩标准标号的结果显示出来，从而有效地进行设计知识的重 用，提高设计效率。 ３．５与ＣＡＸＡ平台集成 最后利用实体造型软件ＣＡＸＡ提供的开发向导ＩＣＡＰＩ ＡｐｐＷｉｚａｒｄ将系统集成到平台上。图６．为集成到ＣＡＸＡ平台 后的系统界面图。 （下转第２１７页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 基本优化方法。 莫军等：基于ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ的３Ｄ图形绘制管线优化问题 ・２１７・ 了各个阶段的图形管线优化方法，为在嵌人式设备上开发表现 力更强的３Ｄ游戏进行了积极探索。在优化过程中还需要注 （１）打开背面裁减开关。对于封闭体和看不到背面的物 体，应该打开背面裁减开关，这样可以将需要光栅化处理的三 角形数量减少近５０％。 （２）合理利用ｚ缓冲器。一种不影响绘制质量的优化技 意，如果不能对最慢的阶段作进一步优化，就要使其他阶段与 最慢阶段的工作负载尽可能一样多，从而保持图形管线的平 衡，这样并不影响整体性能，还充分利用了硬件资源。在３Ｄ 术是在特定时间关闭ｚ缓冲器，如在清除帧缓冲器之后，不需 要进行深度测试也可以直接绘制任何背景图像。诸如多边形 对齐的ＢＳＰ树之类的算法就不需要使用ｚ缓冲器。合理利用 游戏开发过程中要充分了解硬件平台的性能，任何超越硬件特 性的优化都是不能实现的。例如。ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ具有一个ＶＢＯ 的扩展，ＶＢＯ把数据加载到显卡的高性能显存中，这样大大降 ｚ缓冲器还有另外一种情况。如果可以保证屏幕上的每个像 素都被某个物体覆盖（如天空），就不需要清除颜色缓冲器，还 可以通过牺牲一个比特的深度精度避免对ｚ缓冲器进行清 低了渲染时间，但是扩展要依赖较新的硬件，不是所有的图形 卡都支持。 综上所述，图形管线优化的总体思路是：控制显存和带宽 使用，保持图形管线的平衡，充分发挥硬件性能，软件优化不能 超出硬件局限。 参考文献： ［１］Ｄａｖｅ Ａｓｔｌｅ，Ｄａｖｅ Ｄｕｍｉｌ．ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ Ｇａｍｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｍ］． Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｃｏｕｒｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５．９５—１０７． 除。在第一帧，正确地清除ｚ缓冲器，而且只绘制缓冲器的前 面一半，即将深度归一化的设备坐标重新调节到一１．０—０．０ 范围；在第二帧，不用清除ｚ缓冲器，翻转观察方向和深度测 试，然后设置深度范围，１．０为**面，０．０为远平面；在第三 帧，再次使用一１．０—０．０范围，随后每一帧都在这两个范围之 间切换。这样，前一帧的ｚ深度值通常会被在这一帧中绘制的 ［２］ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ Ｃｏｍｍｏｎ／Ｃｏｍｍｏｎ—Ｌｉｆｅ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｖｅｒｓｉｏｎ 物体所覆盖，就好像清除了ｚ深度值 ’。 （３）采用图形硬件内部的纹理和像素格式。这样可以避 免从一种格式转换到另外一种格式。当需要更新纹理时，在 ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ中可以使用ｇｌＴｅｘｔＳｕｂｌｍａｇｅ２Ｄ函数来代替ｇｌＴｅｘｔ— １．０．０２［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｅｎｇｌｅｓ．ｏｒｇ／ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｓ／ｃｈｉｎｅｓｅ— ｓｉｍｐｌｅ／ｏｐｅｎｇｌｅｓ／ｅｇｌｓｐｅｃ［１］．１．１．ｐｄｆ。２００４—０９—１ １． ［３］Ｃｏｋ Ｋｅｉｔｈ。Ｒｏｇｅｒ Ｃｏｌｔ＇Ｏｎ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｓｏｆｔ— ｗａｒｅ：Ｔｈｅ Ｙｉｎ ａｎｄ Ｙａｎｇ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｃｓ［ＥＢ／ＯＩ ］．Ｃｏｕｒｓｅ ６ Ｎｏｔｅｓ ａｔ ＳＩＧＧＲＡＰＨ ２０００．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉ．ｃｏｒｇｎ／ｓｏｆｔｗａｒｅ／ｏｐｅｎｇｌ／ａｄｖａｎｅｅｄ一 ｎ—ｙａｎｇ．ｐｄｆ，２０００． ００／ｎｏｔｅｓ／００ｙｉ＿Ｉｍａｇｅ２Ｄ函数，这样就可以避免内存分配与回收问题 。此外 还可以采用纹理压缩技术，在ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ中可以调用ｇｌＣｏｍ— ｐｒｅｓｓｅｄＴｅｘｔＩｍａｇｅ２Ｄ函数和ｇｌＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＴｅｘｔＳｕｂＩｍａｇｅ２Ｄ函数 ［４］Ｌｉｎｄｈｏｌｍ Ｅｒｉｋ，Ｍａｒｋ Ｋｉｌｇａｒｄ．Ａ Ｕｓｅｒ—Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｖｅｒｔｅｘ Ｅｎｇｉｎｅ 来压缩纹理 Ｉ。压缩纹理的优点在于使用内存较小，可以提 高高速缓存的利用率。 ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＩＧＧＲＡＰＨ ２００１。２００１．１４９—１５８． 作者简介： 莫军（１９７４一），男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式三维游戏引擎 相关技术；陈雷建（１９６６一），男，教授，主要研究方向为数字图像处理、 三维图形技术。 ３ 总结 本文分析了基于ＯｐｅｎＧＬ ＥＳ的图形管线流程，初步讨论 （上接第２１４页） 率与质量。 参考文献： ［１］蔡波．陆长德．余隋怀。等．计算机辅助色彩设计系统的构造方法 研究［Ｊ］，西北工业大学学报．２０００，墙（３）：４８７—４９０． ［２］ 苑寅秋，王珉，左敦稳．面向机电产品的色彩设计专家系统 （ＣＳＥＳ）框架研究［Ｊ］．小型微型计算机系统，２００１，２２（３）：３７６— ３７８． 等．基于Ｌａｂ均匀色彩空间的色彩调和系 ［３］ 王可。陆长德，乐万德，统ｆ Ｊ］．西北工业大学学报，２００４，２２（６）：６９４—６９８． 图５ 色彩语义空间 图６集成到ＣＡＸＡ平台后的系统界面图 ［４］ 石源．计算机辅助产品色彩设计工具集的研究［Ｄ］．西安：西北工 业大学，２００４． ４ 结束语 本文研究了几种典型色立体的特点及其配色理论，讨论了 色立体可视化的实现技术，并将一些实用的色彩设计方法，基 于语义的配色、色彩调和及色彩方案知识重用等技术与色立体 有机结合，完成了基于三维色立体的计算机辅助色彩设计原型 【５］张妍．基于语叉空间的产品色彩设计系统的研究与实现［Ｄ］．西 安：西北工业大学，２００３． ［６］张宪荣，张萱．设计色彩学［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３－ 作者简介： 姚小清（１９８１．），女，河北唐山人，硕士研究生，主要研究方向为计算机 辅助工业设计；陆长德（１９３８，）。男。博导。主要研究方向为工业设计； 系统的开发。该系统充分利用三维色立体的特点，更加符合设 计师的感知与配置色彩的习惯，而且利用标准色体系中的色彩 苟秉宸（１９６７．），男，博士研究生，主要研究方向为计算机辅助工业设 计；周宪，男，硕士研究生。主要研究方向为计算机辅助工业设计。 配色有利于色彩工艺的实现，从而有效地提高了色彩设计的效
