色彩光色实验在设计教学与设计实践中应用研究

陈尧祥 宋立民

关键词：设计教学 光色实验 色散实验 混色实验 颜色匹配实验

引言

随着计算机等数字技术的发展和在设计领域的广泛应用，设计实践的媒介发生了较大变化，从原本依托于纸笔、颜料等物质媒介转变为依托Photoshop等以二进制代码为基础的非物质计算机软件。设计媒介的转变带来的是知识与认知的改变。例如，计算机软件中色彩显示和调节所依托的RGB数值是在模拟色光对人眼刺激强度的基础上形成的色彩标定系统，其中涉及与颜料等物色截然不同的光色知识与原理。因此，对于设计师各方面的知识储备，尤其是光色原理方面的色彩知识储备提出了新的要求，这一改变已经成为设计学科中色彩教学探讨的新方向。

然而，目前中国设计学科的色彩教学仍然以20世纪70年代末、80年代初从中国香港、日本传入的“色彩构成”为主要教学内容[1]，传授以物色原理为基础的色彩知识，而对于当代所需的光色原理和知识涉及较少。同时，在色彩原理的传授方式上，多通過色立体、色卡等现成的色彩教具，以讲授式或填鸭式的灌输为主，导致学生们既对色彩形成及色彩混合背后的原理缺乏直观的理解与认识，又无法很好地理解当前计算机软件中色彩系统的工作机制，只能依靠感觉或简单的色彩知识在设计实践中不断试错。因此，在设计学科的色彩教学中引入揭示光色原理的色彩实验是非常必要的。实验本身所具有的可操作性和结果的直观性能令学生在参与过程中亲身体会色彩原理，理解色彩的由来过程，并激发自主探索精神，从而更好地将色彩原理应用于之后的设计实践中。在具体的教学实践中，本研究团队在清华大学美术学院开设的SRT课程《室内设计中的材料、色彩、质感（CMT）研究》中对此进行了教学实践应用。在该SRT课程中，由研究生实际还原了棱镜色散实验、转盘混色实验等多个色彩研究历史上重要的光色原理实验，令参与的学生们在直观的视觉感受和实际操作体验中了解并掌握相关的色彩原理与知识（图1）。

本文通过梳理色彩发展史中三个标志性光色实验——棱镜色散实验、转盘混色实验及颜色匹配实验——的实验过程，结合其在艺术设计领域的实际应用，探讨设计学科色彩教学中引入光色实验的重要意义。

一、棱镜色散实验及在设计实践中的应用

“色散”一词本为光学名词，指的是复色光分解为单色光而形成光谱的现象，而棱镜色散实验则是借助棱镜令太阳光发生色散现象。在色彩发展史上，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）在勒内·笛卡尔（René Descartes）、罗伯特·波义耳（Robert Boyle）等前人实验[2]的基础上（图2、3），于1666年通过棱镜色散实验最终揭示了色彩的物质来源。

（一）实验过程与设计教学

牛顿将实验过程记录于他的第一篇光学文章——《颜色》（TheOf Colors）[3]之中。他首先令阳光穿过窗户上的一个孔洞（k），并将三棱镜靠近孔洞放置，光线穿过棱镜时发生折射现象，而后投射到另一侧的墙壁，形成具有红、橙、黄、绿、蓝、紫的彩色光带rstv（图4）。不同颜色的出现令牛顿推测自然光中包含色彩信息要素，且它们在棱镜中的折射程度不尽相同，从而形成色彩的分离现象。为此，他在1672年发表于伦敦皇家学会的文章《关于光和颜色的新理论》[4]中，通过改进上述实验，对其推测进行了验证，从而进一步揭示了光与色彩的关系（图5）。

在前述的清华大学美术学院SRT课程的色彩教学中，本研究团队根据牛顿对棱镜色散实验的描述，借助LED手电筒、两个三棱镜、带有光缝的不透明立方体盒子以及白板对其进行了模拟与还原。其中，以LED手电筒的人工光源代替自然光，通过带有光缝的立方体盒子模拟窗户上的空洞，形成狭窄的光束，并按照棱镜色散实验中光线的入射角度摆放手电筒与三棱镜，以此在白板上形成彩虹般的色散现象（图6）。

棱镜色彩实验揭示了光与色彩的关系，指明了自然光中包含丰富的色彩信息且白光是可以分解的。

（二）设计实践中的应用：自然光成为色彩设计的重要手段

对设计实践而言，该实验及其结论能令设计师们意识到在进行色彩设计时不仅可以依靠颜料、涂料等物色，还可以借助自然光的色彩特性形成丰富的光色变化，以此令光成为色彩设计的表现手段。在建筑和室内设计领域中，设计师Peter Erskine直接将棱镜色散实验的装置经过放大改良后迁移到美国洛杉矶警察局的公共照明设计中。其中，屋顶的定日镜（太阳能跟踪镜）和纵向的镜面管道捕捉、反射并向下传输太阳光，而后借助棱镜令太阳光发生色散现象，以此在既有的建筑室内空间中形成多彩、饱和的光谱色光斑。在降低人为干预和能源消耗的基础上，为空间营造神圣、绚丽的氛围，令因受到创伤而来到警察局的人们获得身心的治愈和内心的平静（图7）。设计师Christopher Janney则在美国迈阿密国际机场的一个廊桥中使用多种颜色的有色玻璃作为外立面设计的主要材质，以此对自然光中的色彩信息进行过滤，从而在室内空间中形成梦幻绚丽的色彩效果，为旅客创造愉悦的身心体验（图8）。加拿大儿童与家庭研究中心的立面设计使用相同的手法在建筑立面上形成多彩的光块，为单调的混凝土立面带来层次和变化（图9）。另外，在产品设计领域，设计师Taehwan Kim在家具产品“光之座椅”（light chair）的设计中，以新兴的高分子材料二向色薄膜作为椅面材质，利用材料本身对光线的折射、反射与散射，令椅面在不同观察视角或光线条件下呈现微妙的色彩变化（图10）。综上所述，棱镜色散实验对光与色彩关系的揭示启发设计师将自然光作为色彩设计的重要手段，从而扩展了设计的思考方式和表现效果。

二、转盘混色实验及在设计实践中的应用

转盘混色实验是指19世纪英国著名物理学家、数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在杨—赫尔姆霍兹三色视觉原理[5]的基础上进行的验证实验。杨—赫尔姆霍兹三色视觉原理由英国物理学家托马斯·扬（Tomas Yong）和德国物理学家赫尔曼·赫姆霍尔兹（Hermann von Helmholtz）共同完善，其认为人眼视网膜上具有三种视锥细胞，分别对红、绿、蓝三种颜色波长的光线较为敏感，并能在大脑视觉控制区域内混合形成所有光谱色。麦克斯韦以此为理论基础，利用颜色转盘研究色彩的混合。

（一）实验过程与设计教学

在该实验中，麦克斯韦首先将一个木质转盘划分为100份，以实现对颜色面积的定量调节，而后将大小不同的两种彩色圆盘置于其上，内侧的小圆盘是所需匹配的颜色样本，外侧的大圆盘则以红、绿、蓝三种颜色为主。在实验时，通过调节各色面积形成不同数量的原色组合。通过旋转转盘，观察其与颜色样本的匹配程度。若内外颜色达到一致，则混色成功。另外，他还在内侧圆盘上添加不同数量的黑色，以消除色彩亮度不同导致的色彩差异（图11）。麦克斯韦通过该实验确定了计算某种颜色所需三原色数量的色彩方程式，并绘制了一个能展示所有色彩的颜色三角形[6]（图12）。

在清华大学美术学院SRT课程的色彩教学中，本研究团队以若干大小不同的彩色圆盘、木制支架和电机电池组构成实验道具以模拟还原麦克斯韦进行的转盘混色实验。其中较大的圆盘以朱红、群青、粉绿三色为主，较小的圆盘为匹配颜色和黑色。在电机的转动下令内外两个圆盘旋转，从而呈现颜色混合后的色彩效果（图13）。

转盘混色实验证实了所有光谱色都可以由红、绿、蓝三种原色合成，同时也证明了人眼和大脑在色彩形成中的重要作用，即视网膜上的视锥细胞在接收到光学信号后，将其传输到大脑视觉区域加工处理，最终形成色彩感觉。

（二）设计实践中的应用：视觉系统在色彩设计效果中的介入

对于设计实践而言，该实验启示设计师们将视觉系统混合色光的生理机制纳入色彩设计的思考范畴。换句话说，设计中色彩的最终呈现并非一定需要形成或混合成某种特定的颜色，还可通过不同颜色色块的并置或叠加，借助空间的距离或物体的旋转，使其反射的色光刺激视觉系统并在大脑中完成混合，形成新的色彩感觉。这种理念早在19世纪已被印象派画家应用于绘画领域。他们开创了“点彩”画法，即令无数个纯色色点并置于画布上。当观察者从远处观看时，在空间距离的作用下，并置的多彩色点在人眼中混合形成新的色彩视觉感受，且色彩更为明亮鲜艳。在设计领域，目前也有越来越多设计师将该混色模式引入设计实践中，以建筑设计领域为例，许多建筑通过马赛克式的色块对建筑立面进行装饰，令建筑立面形成远近不同的色彩效果。如荷兰乌得勒支大学学生宿舍楼的外立面由红、橙、绿、黑、白、灰等多种色彩的铝板网格构成（图14）。当人们从远距离观看建筑时，人的视觉系统捕捉多色铝板反射的光线并对其进行混色处理，以此令纷繁复杂的多彩马赛克网格形成相对统一的灰色立面；而当人们走进建筑時，多彩的单一色块又会各自独立，形成丰富且充满变化的色彩组合，以此象征来自世界各地且性格各异的年轻学生。在该建筑立面色彩设计中，设计师将转盘混色实验中揭示的混色生理机制应用于设计实践，令人们的视觉系统参与到设计作品的色彩呈现过程之中，从视觉上增强了建筑与人之间的互动与联系。

三、颜色匹配实验及在设计实践中的应用

颜色匹配指的是将两种颜色调节到视觉感受相同的方法[7]，颜色匹配实验在这里主要是指通过三原色光的数字化控制实现与待测色光的匹配过程。20世纪20年代，科学家威廉·大卫·莱特（WilliamDavid Wright）和约翰·吉尔德（John Guild）通过该实验分别获得匹配光谱色所需三原色光的三刺激值。1931年，国际照明委员会（简称为CIE）综合两人的实验结果与数据，先后建立起两种标准色度系统，即CIE1931 RGB色度系统和CIE1931 XYZ色度系统[7]（图15），令色彩研究进入数值化、精准化时期。

（一）实验过程与设计教学

在该实验中，首先通过一个黑色隔板将白色屏幕分割成两个区域。在隔板一侧，通过单色仪分离出不同的光谱单色光斑，并保持其固定不变，在另一边则用红、绿、蓝三种原色光进行混合，生成新的光斑，每种原色光可以通过亮度调节对色光的强度进行控制，以此获得不同颜色，并使其与光谱单色光斑进行对比。当两部分颜色合二为一时，说明待测色光与混合色光实现匹配（图16）。

在清华大学美术学院SRT课程的色彩教学中，本研究团队分别以三盏可调节光色及亮度的LED灯和三个带有凸透镜的光筒构成实验道具，以模拟颜色匹配实验。在该教学中主要以匹配白光为实验目的，三盏LED灯分别呈现红、绿、蓝三色，并通过移动终端对各色亮度进行调节，最终在亮度分别为60%（红色）、90%（绿色）、40%（蓝色）时，与白光较为匹配（图17）。

颜色匹配实验与CIE色度图的形成令RGB色光混合规律的研究进入数值化、精准化时期，色彩的最终面貌可以通过R、G、B数值快速便捷地预测与控制。

（二）设计实践中的应用：色彩设计的数字化控制与调节

对设计实践而言，颜色匹配实验为设计师通过数字化的方式进行色彩设计奠定理论基础。随着计算机、互联网、人工智能等先进信息技术的发展，在以新媒体艺术设计为代表的信息艺术设计中，色彩间的迅速切换主要依靠计算机编程系统控制，因此色彩的数字化将成为新时期设计实践中的普遍现象。比如，设计师Ivan Toth Depe?a在美国迈阿密地铁大厅设计的灯光装置（图18）中，通过数字编程的方式控制每个LED灯的运转和颜色变化。当路人经过灯光装置时，其上的红外摄像机会捕捉人体形象，由编程系统进行抽象化的色块处理，并在装置的显示面上呈现色彩的变化。在此过程中，灯光的色彩转化成R、G、B数值形式，由计算机编程系统控制与调节，从而完成色彩的生成和变化。再比如，日本多媒体艺术设计团队teamLab在其多媒体艺术设计作品“呼应的无重力生命森林”（Weightless Forestof Resonating Life）中，将LED灯和接收冲击信号的芯片感受器置于空间中的若干球体内部，通过编程由计算机控制。当球体受到冲击时，芯片感受器的信号令计算机编程系统对LED灯中R、G、B的数值进行调节，从而形成球体光色的变化，并通过互联网的连接令周围球体的颜色亦随之发生相应变化（图19）。综上所述，颜色匹配实验对色彩数字化、数值化的研究为信息艺术设计、交互设计、虚拟环境设计等依靠计算机系统制作并通过声、光、电设备呈现的数字化设计类型的发展奠定基础。

结论

本文涉及的三个标志性光色实验在色彩发展史中是环环相扣、相辅相成的。他们分别揭示了色彩的物质来源、视觉系统的生理机制在色彩混合中的作用，以及色彩的数字化发展方向，推动人们对色彩的认知向纵深方向发展。对于设计学科而言，上述三个光色实验对设计教学和设计实践具有以下三点重要意义。

第一，意识到自然光是色彩设计的重要手段。棱镜色散实验不仅令设计师或设计专业学生理解色彩的物质来源，了解色彩形成与光的关系，同时还启发他们运用自然光进行色彩设计，从而打破依靠颜料、涂料等物色进行设计的局限，拓展设计的思路与手段。

第二，意识到视觉系统在色彩设计呈现中的调节作用。转盘混色实验能令设计师或设计专业学生了解色彩与生理的关系，即色彩是人眼和大脑在光的刺激下形成的认知感受。其能对不同的色彩信息进行处理，从而混合形成新的色彩感受，以此启发他们在设计上将视觉系统纳入色彩设计呈现的考虑范畴中，借助空间的距离或物体的旋转，令不同并置或叠加的色块，通过人的视觉系统混合形成新的色彩感受，而非需要形成或混合成某种特定的颜色。

第三，意识到色彩设计的数字化控制与调节。颜色匹配实验不仅能使设计师或设计专业学生直观地感受与理解RGB颜色系统与混色规律，构建以CIE 1931色度图为代表的光色颜色空间概念，还能令他们体会色彩数字化的过程，从而在设计实践过程中更好地借助数字艺术软件工具或计算机语言实现对色彩的控制、调节与管理。