顾吉青

（国核自仪系统工程有限公司，上海 200241）

0 引言

颜色是人的视觉系统对光谱中可见区域的感知效果，是视觉和审美的核心，深刻地影响着人们的认知和情绪。从设计心理学角度看，人们在感受周围环境的时候，首先注意到的是物体的颜色，然后才会注意到物体的形状等其他因素。人类对于不同的颜色，在感受程度上存在差别。人机接口（HSI）设计的颜色方案中，应综合考虑多方面的影响因素。本文基于色彩理论，结合颜色的CIE Luv和Yuv的色差计算，给出了符合标准要求的HSI颜色方案。

1 色彩理论

1.1 三色理论

1860年德国人赫尔姆霍兹提出了一个颜色视觉的生理学理论，即三色理论。该理论认为人的视网膜上有3种基本的颜色感觉纤维，即红色纤维、绿色纤维和蓝色纤维，3种纤维不同程度兴奋的比例关系决定人们所看到的是什么颜色。

1.2 孟塞尔颜色体系

1905年美国人孟塞尔创建了孟塞尔颜色体系，他把物体表面色的3种基本属性——色调、明度、彩度用一个三维空间表现出来，并按人的视知觉特性对它们分别进行等距排列，以此用来对颜色进行分类和标定。

由于孟塞尔颜色体系以三色理论为依据，在编排上注意到人的视觉特性，又将颜色的3个属性加以直观形象地展示，使颜色工作者容易理解掌握。因此，孟塞尔颜色体系是目前诸多颜色体系中使用广泛、影响较大的一种，NUREG 0700中的颜色编码也是基于该体系。

1.3 色彩空间

颜色仅存在于人的眼睛和大脑中，为了准确地描述颜色，西方色彩学中首先引入了色彩空间的概念。通过建立多种色彩模型，以一维、二维、三维甚至四维空间坐标表示某一色彩，这种坐标系统所能定义的色彩范围即色彩空间。

本文色差计算中使用到的色彩空间主要有XYZ色彩空间、Luv色彩空间和Yuv色彩空间。

1.3.1 XYZ色彩空间

CIE 1931 XYZ色彩空间是最先一个采用数学方式定义的色彩空间，它由国际照明委员会（CIE）于1931年创立。根据三色理论，原则上只要3个参数便能描述颜色感觉。

在三色加色法模型中，如果某一种颜色与另一种混合了不同份量的三种原色的颜色，均使人类看上去是相同的话，即把这3种原色的份量称作该颜色的三刺激值，用X、Y和Z表示[1]。

1.3.2 Luv色彩空间

Luv色彩空间全称CIE 1976 Luv色彩空间，L表示物体亮度，u和v是色度。于1976年由国际照明委员会提出，简单变换CIE XYZ空间得到[1]。

1.3.3 Yuv色彩空间

Yuv是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，Y表示明亮度，也就是灰阶值；而u和v表示的则是色度，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色，采用Yuv色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号u、v是分离的。

2 标准要求

NUREG 0700、EPRI 1008122、IEC 60073和 IEC61772都对HSI设计中颜色编码的要求做过大量的描述，但是不管是美国体系内的NUREG 0700和EPRI 1008122，还是欧洲体系内的IEC 60073和IEC 61772，颜色编码使用的基本原则都是一致的，下文给出了这些原则。

2.1 一致性

混乱、无规则地使用颜色编码将会导致信息无法理解，也会降低用户识别或快速识别重要信息的可能性。因此，所有类型的画面中应使用一致的颜色编码，并且该编码方式应与电站内其它HSI也保持一致。

同时，不同的显示设备（如LED、LCD）有着不同的色彩呈现，必须确保颜色的显示在用户看起来是一致的，尤其是对于相似的颜色（如黄色/橙色/琥珀色等）。理想情况是能在操作环境的周围照明条件下，确保颜色的一致性。

2.2 适用性

在使用颜色表示不同的含义时，若颜色的种类较多，会严重影响用户的认知，理想情况应使用不超过6种颜色[2]。但是在具体的工程设计中，由于需要表达的信息量大，且复杂多样，不得不使用超过9种颜色，此时可使用9种饱和色表示重要的信息，如用于报警系统，根据报警优先级的不同，分别选用不同的饱和色表示，同时在报警状态清除时，也通过如颜色或亮度的变化指示出来。

对于没有重要含义的信息，如背景色，应选用对其它颜色干扰较小的中性色表示。选定的9种主要颜色之间的CIE Luv色差应超过40个单位[2]。

2.3 差异性

相近的颜色在组合使用时，人的视觉系统容易混淆，不易区分。组合颜色应提供充分的对比，如使用一个单一的，不使人分心的颜色作为所有画面的背景，优先考虑黑色和灰色的颜色组合。当彩色符号和图标与背景亮度相似（例如，红色背景上的蓝色或绿色符号和图标）或颜色选择缺乏对比度时，将引发很多问题，甚至会导致错误。

因此，颜色组合使用时应优先考虑使用光谱距离相距较远，对比度相差较大的颜色组合。选定的组合颜色之间的Yuv色差应超过100个单位[2]。

2.4 非独立性

由于用户中可能存在某些程度的色盲，且对于显示硬件VDU来说，随着时间的推移分辨率可能会逐渐降低，同时，还存在周围照明条件影响用户感知的问题，因此颜色编码宜作为其它编码机制的冗余，避免单独使用，须与其他编码方式组合使用，如对象形状的改变、位置的变换、闪烁等[3,4]。

3 色差计算

3.1 CIE Luv色差计算

针对2.2章节的适用性要求，以核电行业中常用的红色和黄色为例，计算如下：

3.1.1 RGB值归一化

红色和黄色的RGB值分别取（255，0，0）和（255，255，83）。公式（1）将RGB值转换到[0，1]的坐标轴上，经计算得：

3.1.2 Gamma校正

公式（2）中γ值为1时，对应一个理想的显示器，具有从完美的白色通过灰色到黑色的连续的线性渐变效果，但是理想的显示设备是不存在的。电脑显示器是非线性的设备，本文中根据美国国家电视标准委员会NTSC的视频标准，取γ值为2.2，计算得：

3.1.3 转换到CIE XYZ标准色品空间

公式（3）将颜色转换到标准色品空间，其中的转换矩阵为经验值，计算得：

3.1.4 转换到CIE UCS均匀色品图

公式（4）和（5）中X、Y、Z为三刺激值，CIE XYZ色品空间经过该变换，可将颜色映射到均匀色品图UCS，该图中所有颜色都是等明度的，两颜色之间的色差与它们间的距离成正比。计算得：

3.1.5 转换到CIE Luv色空间

为获得视觉上较均匀的色彩空间，CIE推荐Lab和Luv两个色空间，并分别规定了色差的计算方法。本文根据NUREG 0700中的要求，选取了CIE Luv色空间。

公式（6）、（7）和（8）将颜色映射到了CIE Luv色空间。Y0、u0'、v0'为给定的白物体色刺激值，且0.01

3.1.6 CIE Luv色差ΔE (CIE Luv)

在CIE Luv色空间中，两颜色间的色差为它们在色空间中的距离，根据公式（9）计算得，工程中常用的红色和黄色的Luv色差为127.55，大于40，满足适用性的要求。

3.2 Yuv对比度计算

针对2.3章节差异性要求，以红色和白色为例，计算如下：

3.2.1 转换到Yuv色空间

本文根据NUREG 0700中的要求，选取Yuv色空间，计算颜色的色差，公式（10）将颜色映射到Yuv色空间，红色和白色的RGB值分别为（255，0，0）和（255，255，255），计算得：

3.2.2 Yuv色差ΔE (CIE Yuv)

表1 主要编码色Table 1 Main coding colors

公式（11）中，YM=Max(Y1，Y2)。经计算，红色和白色的Yuv色差为143.20，超过了100，可以作为颜色组合使用。

4 颜色方案

4.1 颜色选择

单纯的黑白设计显得单调乏味，容易造成认知疲劳，使用户无法保持注意力的稳定，因此通常通过不同的颜色区分不同的编码对象。在充分考虑色彩理论中人眼对不同波长光谱颜色感受程度差异，并结合3.1章节CIE Luv色差计算的结果，确定选用表1中的颜色作为主要的编码色。

4.2 颜色组合

当组合颜色在亮度对比接近时，由于颜色的同化作用难以分辨。比如在白色背景上，打出同样字体及字号的一行黄色文字和一行黑色文字，黑色文字则看上去更加清楚、更容易辨认。根据色彩理论，人眼对于亮度相近的色刺激分辨较弱，因此应尽量避免使用它们的组合。结合3.2章节中Yuv色差计算结果，表2中列出了几个颜色组合的应用实例。

4.3 颜色方案

在设计颜色方案前，应确定颜色编码的对象，其影响因素较多，比如说受控设备的接口类型、控制策略以及用户的使用习惯。本文参考核电站常用的颜色编码对象[3,5]，表3中列出了几个颜色编码的应用实例。

5 结束语

本文给出的是确定HSI颜色方案的通用方法，实际使用时还需要考虑用户的使用习惯。如对旧电站的升级改造项目，应咨询用户对于旧颜色编码的想法，查看旧电站的设计文件及监控画面，识别出新方案中用法不一致或可能会引起混淆的地方。

表2 颜色组合实例Table 2 Examples of color combinations

表3 颜色方案实例Table 3 Examples of color schemes

颜色方案在最终确定前还应通过模拟测试。如借助动态验证平台或模拟机，选择能代表实际用户的操纵员执行测试，测试时可通过眼动仪和摄像设施，捕捉用户的细微反应，证明与颜色编码的设计预期相符合。测试环境，包括显示器、周围环境和照明条件，应尽可能与实际工作环境保持一致。

本文在转换色彩空间和计算色差时，使用了一些经验公式和经验值，这些公式和数值本身存在着一些局限性，例如对于亮度差异较小的颜色，使用本方法计算色差时误差较大，以后的工作中还需要针对性地做进一步的研究。