书写墨水颜色的数字化与标准化

潘明初

（温州大学化学与材料工程学院 中国轻工业制笔材料重点实验室，温州，325035）

美国光学学会（Optical Society of America）的色度学委员会曾经把颜色定义为：颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性，即光的辐射能刺激视网膜而引起观察者通过视觉而获得的景象。

我国国家标准[1]定义光与色为：光是能对人的视觉系统产生明亮和颜色的电磁辐射，又叫可见电磁辐射，其波长范围一般取380nm～780nm；色是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性。根据这一定义，色是一种物理刺激作用于人眼的视觉特性，而人的视觉特性是受大脑支配的，也是一种心理反映。所以，色彩感觉不仅与物体本来的颜色特性有关，而且还受时间、空间、外表状态以及该物体的周围环境的影响，同时还受各人的经历、记忆力、看法和视觉灵敏度等各种因素的影响。色彩源于自然，但人类结合了大自然色彩的启示及天然或人工合成色料，使得我们的生活更加多彩多姿。

在科技高度发展的今天，虽然国内很多制笔企业对产品颜色进行了规范，但还存在以下问题。各企业自成体系；颜色控制凭经验；跟着别人后面模仿，没有自我创新，没有形成自己的体系与标准；没有与其它（如美术、设计、建筑、教学）行业对接，统一名称、色标、指导应用。国外公司掌握色料、颜色呈现及控制等核心技术，注重墨水产品颜色的系统化、标准化,注重与用户所在行业的对接，有针对性地开发新产品，引领色彩流行[2]。

例如，靛青是什么颜色？如何告诉学生准确的靛青色？如何用我们制造的墨水把靛青色表现出来？要解决这些问题，需要将颜色进行准确的测量并使之数字定量化。数字定量化后才能衡量颜色，只有衡量颜色，才能控制颜色，进而还原颜色。

建立一套适合制笔行业的标准，对笔用墨水（或笔类、美术、设计用品）颜色进行数字化定量描述，为使用者如色度学学习者、艺术创作者、色彩设计教学[3,4]者提供数字化描述的墨水产品，在墨水色彩的制造、控制、使用以及颜色科学的教学等方面，将会带来符合时代潮流的新变化，有利于制笔行业品种、品质、品牌的建设。

本文介绍颜色数字化及表色的发展与应用，相关的原理与标准，并以此来指导构建书写墨水及制笔行业的色彩体系，提升核心竞争力。学习其它行业的成功经验，促进制笔行业的发展。

1.国内外表色系统及应用

对于人来说，用色相（色调）、明度、彩度（饱和度或纯度）来定义颜色；对于显示设备来说，人们使用红、绿和蓝磷光体的发光量来描述颜色；对于打印或者印刷设备来说，人们使用青色、品红色、黄色和黑色色料的反射和吸收来产生指定的颜色。用数学方法--颜色空间[5]来组织和表示颜色，使颜色形象化,颜色空间如图1所示:

图1 色调—饱和度—明度颜色空间

图中垂直轴表示黑、白系列明度的变化，上端是白色，下端是黑色，中间是过渡的各种灰色。色调用水平面的圆圈表示，圆圈上的各点代表可见光谱中各种不同的色相，圆形中心是灰色，其明度和圆圈上的各种色相的明度相同。从圆心向外颜色的饱和度逐渐增加，在圆圈上的各种颜色饱和度最大，由圆圈向上（白）或向下（黑）的方向变化时，颜色的饱和度也降低。颜色空间（彩色模型、色彩空间、彩色系统等等）是对色彩的一种描述方式，定义有很多种，区别在于面向不同的应用背景。常用的有RGB、CMYK、Yxy、LCH、HSV、HSL、XYZ、LAB等等，各个色彩空间可以相互转换[6]。

颜色的度量是一门涉及物理光学、视觉心理、心理物理学等各学科的新兴科学。由于颜色涉及不同人种、不同民族的心理感受和习惯,使得国际上迄今为止,仍未产生一个公认并且通用的国际性颜色体系。总的来讲，对颜色有以下三种表色方法，即（1）传统颜色表示方法：主要是以植物的花、茎、叶、果实的色彩，动物的特色，自然界中的天、地、日、月、星辰、山水、矿石、金属的色彩，染料或颜料色的名称命名来命名颜色，例如玫瑰红、草绿、荷叶绿、橄榄绿、苹果绿、橘红；鹅掌黄、蟹青、孔雀蓝；天蓝、土黄、月灰、水绿、银灰、石绿、翠绿、铅白、石青、石绿；靛青、甲基红等。中国传统色彩[7-9]名字好听，颜色好看。（2）显色系统表示方法（Color Order System）：该方法是在荟集各种实际色彩的基础上，根据色彩的外貌，按直观颜色视觉的心理感受，将颜色进行有系统、有规律的归纳和排列；并给各色样以相应的文字和数字标记，以及固定的空间位置，做到“对号入座” 的方法。它是建立在真实样品基础上的色序系统。例如：孟塞尔（Munsell）表色系统、瑞典自然色系统（Nature Color System）、奥斯瓦尔德（Ostwald）表色系统[10]、德国DIN表色系统、美国光学委员会表色系统（OSA Uniform color scale system）、日本的彩度顺序表色系统（Chroma cosmos 5000）、中国颜色体系等均属于此类。目前在世界各国的印刷工业中采用最多的是印刷色谱、油墨色样卡。这种表示颜色的方法是根据印刷工业的特点和要求而进行荟集的大量的实际色样，并分类排列，一般是按照网点面积率的比例排列，在印刷工业中更有实用性和针对性。（3）混色系统表示方法（Color Mixing System）：该法不需要荟集设计色彩的样品，而是基于三原色光（红、绿、蓝）能够混合匹配出各种不同的色彩所归纳的系统。

“中国颜色体系问题研究”在对国际上其它颜色体系的理论分析和对颜色样品测试的基础上,确立其理论依据和编制原则,开展了中国人眼对明度、色调、彩度等间距排列的视觉评价实验,建立了“中国颜色体系”理论模型,同时研制出《中国颜色体系样册》，为我国国民经济各部门的颜色控制、标定和交流提供科学的颜色定量手段,同时也是对实用色度学的发展和颜色标准化做了有益的工作,产生了积极的经济效益和社会效益[11]。制定的国家标准[12，13]和研制的国家标样[14]，在国民经济的众多行业如建筑、城市规划等行业得到了广泛使用[15-19]。由于每个行业所用的材料与要求均不相同，为了满足各自行业对颜色管理的特色要求，在颜色体系理论模型的框架下，建立各自行业的标准以解决本行业的问题。如针对纺织行业，有纺织服装行业标准FZ/T 01099-2008《纺织颜色体系》，国家标准GSB 16-2253-2008 《纺织品颜色标准样品——涤纶》，GB/T 21898《纺织品颜色表示方法》，该标准规定了用颜色三属性——色相、明度、彩度来表示纺织品颜色的方法，适用于纺织品设计、生产、贸易等领域中对纺织品颜色的定量表示[20]。适合中国纺织服装行业的色彩应用工具——CNCSCOLOR中国应用色彩体系，为中国纺织服装行业使用统一的色彩交流语言奠定了基础[21,22]。针对建筑行业，有GB/T 18922-2008《建筑颜色的表示方法》，该标准规定了建筑颜色的表示方法和建筑颜色色卡(简称建筑色卡)的色度值，适用于建筑设计、建筑施工、建筑材料、建筑装修、环境设计等领域中颜色的定量表示；也适用于建筑色卡的制作和选取[23]。

2.墨水颜色测量及颜色数字化

颜色测量包括光源颜色的测量与物体色的测量两大类。物体色测量又分为荧光物体测量和非荧光物体测量。在实际生产和日常生活中，涉及到大量的非荧光物体测色。颜色测量的方法分为目视测色和仪器测色两大类。其中，仪器测色又包括密度法、光电积分法和分光光度法。

分光光度法又叫测色光谱光度计法，它是通过样品反射(透射)的光能量与同样条件下标准反射(透射)的光能量进行比较得到样品在每个波长下的光谱反射率，然后利用CIE提供的标准观察者和标准光源按公式计算，从而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式计算色品坐标x.y，CIELAB色度参数等。它通过探测样品的光谱成分确定其颜色参数，不仅可以给出X、Y、Z的绝对值和色差值△E，还可以给出物体的分光反射率值，并可以画出物体色的分光反射率曲线。因此被广泛用于颜色的配色及色彩分析中，采用此类仪器可实现高准确度的色测量，可对光电积分测色仪器进行定标，建立色度标准等，故分光式仪器是颜色测量中的权威仪器。

可以用标准的方法对颜色及色差进行测量与评价，数字化颜色是指通过使用测色仪器 (分光光度计)的测量使颜色转化为一系列数字的表述形式。为了进一步改进和统一颜色评价的方法，1976年国际照明委员会推荐了新的颜色空间及其有关色差公式，即CIE1976LAB（CIE L＊a＊b＊）系统，现已成为世界各国正式采纳、作为国际通用的测色标准。它适用于一切光源色或物体色的表示与计算。1987年我国发布的国家标准GB/T 7921-87将CIE LAB空间作为国家标准[24,25]。

该系统将所有的颜色用L＊、a＊、b＊三个值表示，并用三维坐标来定义,CIE L＊a＊b＊色空间如图2所示。L为垂直轴代表亮度，L＊值从 0(黑)～100(白)；A、B是水平轴，A 为红绿轴，a＊值代表红绿轴上颜色的饱和度，+a＊表示红色，-a＊表示绿色,0为中性色；B为黄蓝轴，b＊值代表黄蓝轴上颜色的饱和度，+b＊表示黄色，-b＊表示蓝色,0为中性色。

图2 CIE L＊a＊b＊ （LCH）色空间

色差是指用数值的方法表示两种颜色给人色彩感觉上的差别。若两个色样样品都按L＊、a＊、b＊标定颜色，则两者之间的总色差△E＊ab以及各项单项色差可用下列公式计算：

明度差：△L＊=L＊1-L＊2

色度差：△a＊=a＊1-a＊2；△b＊=b＊1-b＊2

总色差：△E＊ab=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2

如果△L＊为正，说明试样比标样浅；如果ΔL为负，说明试样比标样深。

如果△a＊为正，说明试样比标样红（或者少绿）；如果为负，说明试样比标样绿（或者少红）。

如果△b＊为正，说明试样比标样黄（或者少蓝）；如果为负，说明试样比标样蓝（或者少黄）。

△E＊ab被定义为样品的总色差，但不能表示出样品的色差的偏移方向，ΔE数值越大，说明色差越大。注意大多数情况下，数据是相对色差，而不是绝对色差。

例如：测得一种宝蓝墨水的L＊值为47.8328、a＊值为26.2743、b＊值为-65.2706，则这三个数据就可以表示这款宝蓝墨水的颜色。有了这组数据就可以在电脑上模拟出这种颜色，并且能获得其它颜色模式中所对应的色值。

图3 宝蓝色对应色值

3.墨水颜色体系设计

多色成套不同用途、不同风格的墨水产品（笔类、美术、设计用产品）的颜色的设计，可以参照商用色彩设计系统[26,27]国家标准[28]GB/Z 35473-2017 《色彩设计系统》或类似系统来进行墨水颜色的设计与编码，并指导用户使用，制造的关键点之一是相应色料的选配。

吸收国内外流行的显色及混色系统表示方法，创建的“商用色彩设计系统”（Business Colour Design System）即“BCDS”设计系统[29]，也称之为“生理补色系统”，全面诠释了商用色彩：色彩价值体现，即有价值交换的物理颜色和心理色彩。

3.1 BCDS基准色的表述

BCDS 基准色的概念是，指要从色相上判断或表述一个颜色，就必须建立起色相的评价范围。从可见光波在380～780nm 波段，BCDS 选择有代表性的十个基准色作为评价颜色色相的范围，它们分别是：Red=红(R)630～750nm、Orange=橙(O)595～630nm、Yellow=黄(Y)580～590nm、Kelly=薇(K)560～580nm、Green=绿(G)500～560nm、Turquoise=青(T)480～500nm、Blue=蓝(B)435～480nm、Purple=紫(P)400～435nm、White(W)＝白、Black(B)＝黑，两个无彩基准色与彩色基准色共同组成评价颜色色位的空间范围。

图4 BCDS十个基准色

3.2 BCDS色相圆环表述

BCDS色彩圆环如图5所示：

图5 BCDS色彩圆环

BCDS色相圆环是一个完全的生理色相环，它依照我们的视觉习惯按顺时针方向排列，如图6所示。每两个基准色之间划分为100阶，跨10取1，共有80个色相（Hue），基准色一律以100表述为：R100、O100、Y100、K100、G100、T100、B100、P100；其余非基准色的数值只能是两个相邻基准色之和等于100，即是：O+Y、Y+K、K+G、G+T、T+B、B+P、P+R、R+O=100；表述方法按顺时针方向，以基准色排列先后顺序表述，如：B60P40、B50P50、B40P60等。

图6 色相顺时针秩序排列

如何运用基准色判断颜色的色相？

如果说直尺可以丈量物体的长度，那么BCDS 色相环就是一把可以衡量颜色色相的色域范围。在BCDS 色相环中，每个基准色只与它左右两个基准色发生关联，我们只需要牢记基准色的色相，就可以轻松判断所有颜色的色相。当我们判断一个颜色的色相时，先看它是否是基准色，若位于两个基准色之间，就可以根据与基准色的远近关系予以定夺。例如青苹果的色相不是基准色，但可以判定位于K（黄绿）—G（绿）之间，K 的含量比G 的含量多一些，基本可以判断它的色相是K70G30。

图7 运用基准色判断颜色的色相

3.3 BCDS色位的表述

用分级坐标值的方法，就可以通过判断颜色的某一个或两个属性而推导出其余属性含量，从而轻松地找到颜色的空间位置（色位）。

BCDS 采用b（black）、w（white）、c（chroma）小写符号分别表示颜色的黑度、白度和彩度属性（采用小写符号是为了与色相大写符号相区别）。并规定在空间中所有颜色的含量都是b+w+c=100，即任意颜色都包含有黑度、白度和彩度的成分，它们共同组成该颜色的100%含量。

在BCDS 空间中，颜色的黑度、白度、彩度分别表述如下。

黑度：b=0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……100，共100 级；

白度：w=0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……100，共100 级；

彩度：C=0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11……100，共100 级。

BCDS 色位的表述如图8所示：

图8 BCDS色位

3.4 BCDS色彩空间表述

颜色本身除了色相属性之外，还有黑白度和彩度属性，相同色相的颜色如果黑白度和彩度发生变化，颜色也随之发生变化。只有将颜色的所有属性全部判断出来，才能真正识别一个颜色，这就需要建立起颜色空间的概念。

在BCDS 中，八个有彩基准色和两个无彩基准色共同构成了衡量所有颜色的色彩空间。完整的BCDS 空间犹如两个倒扣的圆锥体，最大直径的地方是彩度最高点（把所有彩度最高点连接起来就是BCDS 色相环），上下两个顶点分别为白度最高点和黑度最高点。所有可见颜色都可以在BCDS 空间中找到自己的位置，也就是色位。BCDS 色彩空间见图9。

图9 BCDS色彩空间

3.5 BCDS颜色的编码表述方法

将颜色的色相编码和色位（色貌）编码组合起来就是一个完整的BCDS 颜色编码了。例如：

图10 BCDS颜色编码

需要注意的是，在编码的时候留心色相的总和与色位（色貌）的总和要分别等于100。在这里彩度的编码不用记录，因为只需要表示出黑度和白度，彩度的数值自然就可以得出。黑白灰等无彩色的表述为：N（No）代表没有彩色，黑色N b100w00、白色N b00w100、中灰色N b50w50 等。

3.6 BCDS 色彩设计区域表述

根据BCDS 颜色空间的排列特点，可以在BCDS 三角形中划分出图11所示4 大区域：第一区域，颜色群的统一特点是白度属性明显，属于高明度低彩度范围；第二区域，颜色群黑度属性明显，属于低明度低彩度范围；第三区域，在颜色群的黑、白、彩度之间，属于中明度中彩度范围；第四区域，颜色群彩度属性高，属于中明度高彩度范围。按照这种分类方法，每个区域还可以按图12所示再细分出4 个小区域共16 个：

A.高高明度低彩度 E.低高明度低彩度

B.高低明度低彩度 F.低低明度低彩度

C.高中明度中彩度 G.低中明度中彩度

D.高中明度高彩度 H.低中明度高彩度

I.中中明度低彩度 M.中高明度低彩度

J.中中明度中彩度 N.中低明度低彩度

K.中高明度高彩度 O.中中明度中彩度

L.中低明度高彩度 P.中中明度高彩度

图11 BCDS色彩设计四分区域

图12 BCDS色彩设计十六分区域

按颜色排列特点进行分区，为设计应用颜色提供了有效的途径。综合上述的划分方法，在实际设计应用中，BCDS 的设计区域划分为：1.高明度低彩度区域；2.低明度低彩度区域；3.中明度中彩度区域；4.中明度高彩度区域，以及三个间色区域：5.中明度低彩度区域；6.中高明度中彩度区域；7.中低明度中彩度区域。

3.7 BCDS等色相空间表述

在BCDS颜色空间中，任意色相的纵切面都是单一色相在颜色空间的色貌表现，它包括：单一色相加白和黑。

图13 BCDS等色相空间

3.8 BCDS全色相设计区域表示

在BCDS 色位区域中，我们将八个基准色的色相按照设计要求，在色位空间中进行七大设计应用区域组合，为设计色彩提供了基础的心理色彩对应应用平台。

图14 BCDS全色相设计区域

3.9 BCDS颜色心理圆环和三角

颜色心理与颜色空间的位置和区域，是BCDS 体系中重要的体系理论之一，是设计师设计色彩的应用指南。

图15 BCDS颜色心理圆环

图16BCDS颜色心理三角

建立一个以颜色设计应用为目的，科学的、调和的、可实现的、并能与众多颜色系统对接的色貌空间和色彩设计系统，是高度文明社会进步的需求。国家标准GB/Z 35473-2017《色彩设计系统》于2018年7月1日正式实施。该标准为色彩量化设计建立了色彩语言的沟通、评价体系和平台，为设计师掌握色彩和学习色彩提供了科学的设计理论和全系列工具。制笔行业如果能够在这个平台上建立颜色产品如墨水、笔、美术、设计用品的颜色编码、产品颜色标准，将大大提高产品的技术含量，并且可以实现与现代技术如智能配色系统对接，满足更高的使用要求。

4.结 语

要建立完美的墨水颜色体系，首先要解决各类墨水制造所需要的基准色色料（染料或颜料），经常会遇到颜色与其它重要性能不匹配的状况。如颜色符合要求而溶解稳定性差，导致保质期不能满足要求等等。需要对色料进行专门的研究与开发。

颜色数据化，测色与配色技术[30,31]在纺织印染、服装、涂料、染料、塑料、印刷等等方面都已有广泛的应用，制笔行业只需要针对本行业的特性，采用相应的标准方法进行使用即可。利用测色及颜色管控技术，可以提升现有产品的品质管理水平。

测定现有墨水的色值并建立数据库，可以了解、分析现有墨水的色彩体系，用以科学指导产品开发及市场营销。

建立与国家标准GB/Z 35473-2017《色彩设计系统》对接的墨水类产品颜色数字化、标准化体系，与其他行业（如美术、设计、教学）统一名称、色标，用统一的色彩语言沟通以了解色彩表达需求，可以为使用者提供能够精准实现其想表达的颜色的墨水类产品，科学指导墨水类产品的创新开发，有利于提升笔类产品的技术内含，适应系统化、数字化、网络化、智能化的时代发展需求。