陳堯祥 宋立民

關(guān)鍵詞：設(shè)計教學(xué) 光色實(shí)驗 色散實(shí)驗 混色實(shí)驗 顏色匹配實(shí)驗

引言

隨著計算機(jī)等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和在設(shè)計領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，設(shè)計實(shí)踐的媒介發(fā)生了較大變化，從原本依托于紙筆、顏料等物質(zhì)媒介轉(zhuǎn)變?yōu)橐劳蠵hotoshop等以二進(jìn)制代碼為基礎(chǔ)的非物質(zhì)計算機(jī)軟件。設(shè)計媒介的轉(zhuǎn)變帶來的是知識與認(rèn)知的改變。例如，計算機(jī)軟件中色彩顯示和調(diào)節(jié)所依托的RGB數(shù)值是在模擬色光對人眼刺激強(qiáng)度的基礎(chǔ)上形成的色彩標(biāo)定系統(tǒng)，其中涉及與顏料等物色截然不同的光色知識與原理。因此，對于設(shè)計師各方面的知識儲備，尤其是光色原理方面的色彩知識儲備提出了新的要求，這一改變已經(jīng)成為設(shè)計學(xué)科中色彩教學(xué)探討的新方向。

然而，目前中國設(shè)計學(xué)科的色彩教學(xué)仍然以20世紀(jì)70年代末、80年代初從中國香港、日本傳入的“色彩構(gòu)成”為主要教學(xué)內(nèi)容[1]，傳授以物色原理為基礎(chǔ)的色彩知識，而對于當(dāng)代所需的光色原理和知識涉及較少。同時，在色彩原理的傳授方式上，多通過色立體、色卡等現(xiàn)成的色彩教具，以講授式或填鴨式的灌輸為主，導(dǎo)致學(xué)生們既對色彩形成及色彩混合背后的原理缺乏直觀的理解與認(rèn)識，又無法很好地理解當(dāng)前計算機(jī)軟件中色彩系統(tǒng)的工作機(jī)制，只能依靠感覺或簡單的色彩知識在設(shè)計實(shí)踐中不斷試錯。因此，在設(shè)計學(xué)科的色彩教學(xué)中引入揭示光色原理的色彩實(shí)驗是非常必要的。實(shí)驗本身所具有的可操作性和結(jié)果的直觀性能令學(xué)生在參與過程中親身體會色彩原理，理解色彩的由來過程，并激發(fā)自主探索精神，從而更好地將色彩原理應(yīng)用于之后的設(shè)計實(shí)踐中。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，本研究團(tuán)隊在清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院開設(shè)的SRT課程《室內(nèi)設(shè)計中的材料、色彩、質(zhì)感（CMT）研究》中對此進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用。在該SRT課程中，由研究生實(shí)際還原了棱鏡色散實(shí)驗、轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗等多個色彩研究歷史上重要的光色原理實(shí)驗，令參與的學(xué)生們在直觀的視覺感受和實(shí)際操作體驗中了解并掌握相關(guān)的色彩原理與知識（圖1）。

本文通過梳理色彩發(fā)展史中三個標(biāo)志性光色實(shí)驗——棱鏡色散實(shí)驗、轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗及顏色匹配實(shí)驗——的實(shí)驗過程，結(jié)合其在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，探討設(shè)計學(xué)科色彩教學(xué)中引入光色實(shí)驗的重要意義。

一、棱鏡色散實(shí)驗及在設(shè)計實(shí)踐中的應(yīng)用

“色散”一詞本為光學(xué)名詞，指的是復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象，而棱鏡色散實(shí)驗則是借助棱鏡令太陽光發(fā)生色散現(xiàn)象。在色彩發(fā)展史上，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在勒內(nèi)·笛卡爾（René Descartes）、羅伯特·波義耳（Robert Boyle）等前人實(shí)驗[2]的基礎(chǔ)上（圖2、3），于1666年通過棱鏡色散實(shí)驗最終揭示了色彩的物質(zhì)來源。

（一）實(shí)驗過程與設(shè)計教學(xué)

牛頓將實(shí)驗過程記錄于他的第一篇光學(xué)文章——《顏色》（TheOf Colors）[3]之中。他首先令陽光穿過窗戶上的一個孔洞（k），并將三棱鏡靠近孔洞放置，光線穿過棱鏡時發(fā)生折射現(xiàn)象，而后投射到另一側(cè)的墻壁，形成具有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫的彩色光帶rstv（圖4）。不同顏色的出現(xiàn)令牛頓推測自然光中包含色彩信息要素，且它們在棱鏡中的折射程度不盡相同，從而形成色彩的分離現(xiàn)象。為此，他在1672年發(fā)表于倫敦皇家學(xué)會的文章《關(guān)于光和顏色的新理論》[4]中，通過改進(jìn)上述實(shí)驗，對其推測進(jìn)行了驗證，從而進(jìn)一步揭示了光與色彩的關(guān)系（圖5）。

在前述的清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院SRT課程的色彩教學(xué)中，本研究團(tuán)隊根據(jù)牛頓對棱鏡色散實(shí)驗的描述，借助LED手電筒、兩個三棱鏡、帶有光縫的不透明立方體盒子以及白板對其進(jìn)行了模擬與還原。其中，以LED手電筒的人工光源代替自然光，通過帶有光縫的立方體盒子模擬窗戶上的空洞，形成狹窄的光束，并按照棱鏡色散實(shí)驗中光線的入射角度擺放手電筒與三棱鏡，以此在白板上形成彩虹般的色散現(xiàn)象（圖6）。

棱鏡色彩實(shí)驗揭示了光與色彩的關(guān)系，指明了自然光中包含豐富的色彩信息且白光是可以分解的。

（二）設(shè)計實(shí)踐中的應(yīng)用：自然光成為色彩設(shè)計的重要手段

對設(shè)計實(shí)踐而言，該實(shí)驗及其結(jié)論能令設(shè)計師們意識到在進(jìn)行色彩設(shè)計時不僅可以依靠顏料、涂料等物色，還可以借助自然光的色彩特性形成豐富的光色變化，以此令光成為色彩設(shè)計的表現(xiàn)手段。在建筑和室內(nèi)設(shè)計領(lǐng)域中，設(shè)計師Peter Erskine直接將棱鏡色散實(shí)驗的裝置經(jīng)過放大改良后遷移到美國洛杉磯警察局的公共照明設(shè)計中。其中，屋頂?shù)亩ㄈ甄R（太陽能跟蹤鏡）和縱向的鏡面管道捕捉、反射并向下傳輸太陽光，而后借助棱鏡令太陽光發(fā)生色散現(xiàn)象，以此在既有的建筑室內(nèi)空間中形成多彩、飽和的光譜色光斑。在降低人為干預(yù)和能源消耗的基礎(chǔ)上，為空間營造神圣、絢麗的氛圍，令因受到創(chuàng)傷而來到警察局的人們獲得身心的治愈和內(nèi)心的平靜（圖7）。設(shè)計師Christopher Janney則在美國邁阿密國際機(jī)場的一個廊橋中使用多種顏色的有色玻璃作為外立面設(shè)計的主要材質(zhì)，以此對自然光中的色彩信息進(jìn)行過濾，從而在室內(nèi)空間中形成夢幻絢麗的色彩效果，為旅客創(chuàng)造愉悅的身心體驗（圖8）。加拿大兒童與家庭研究中心的立面設(shè)計使用相同的手法在建筑立面上形成多彩的光塊，為單調(diào)的混凝土立面帶來層次和變化（圖9）。另外，在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，設(shè)計師Taehwan Kim在家具產(chǎn)品“光之座椅”（light chair）的設(shè)計中，以新興的高分子材料二向色薄膜作為椅面材質(zhì)，利用材料本身對光線的折射、反射與散射，令椅面在不同觀察視角或光線條件下呈現(xiàn)微妙的色彩變化（圖10）。綜上所述，棱鏡色散實(shí)驗對光與色彩關(guān)系的揭示啟發(fā)設(shè)計師將自然光作為色彩設(shè)計的重要手段，從而擴(kuò)展了設(shè)計的思考方式和表現(xiàn)效果。

二、轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗及在設(shè)計實(shí)踐中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗是指19世紀(jì)英國著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在楊—赫爾姆霍茲三色視覺原理[5]的基礎(chǔ)上進(jìn)行的驗證實(shí)驗。楊—赫爾姆霍茲三色視覺原理由英國物理學(xué)家托馬斯·揚(yáng)（Tomas Yong）和德國物理學(xué)家赫爾曼·赫姆霍爾茲（Hermann von Helmholtz）共同完善，其認(rèn)為人眼視網(wǎng)膜上具有三種視錐細(xì)胞，分別對紅、綠、藍(lán)三種顏色波長的光線較為敏感，并能在大腦視覺控制區(qū)域內(nèi)混合形成所有光譜色。麥克斯韋以此為理論基礎(chǔ)，利用顏色轉(zhuǎn)盤研究色彩的混合。

（一）實(shí)驗過程與設(shè)計教學(xué)

在該實(shí)驗中，麥克斯韋首先將一個木質(zhì)轉(zhuǎn)盤劃分為100份，以實(shí)現(xiàn)對顏色面積的定量調(diào)節(jié)，而后將大小不同的兩種彩色圓盤置于其上，內(nèi)側(cè)的小圓盤是所需匹配的顏色樣本，外側(cè)的大圓盤則以紅、綠、藍(lán)三種顏色為主。在實(shí)驗時，通過調(diào)節(jié)各色面積形成不同數(shù)量的原色組合。通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，觀察其與顏色樣本的匹配程度。若內(nèi)外顏色達(dá)到一致，則混色成功。另外，他還在內(nèi)側(cè)圓盤上添加不同數(shù)量的黑色，以消除色彩亮度不同導(dǎo)致的色彩差異（圖11）。麥克斯韋通過該實(shí)驗確定了計算某種顏色所需三原色數(shù)量的色彩方程式，并繪制了一個能展示所有色彩的顏色三角形[6]（圖12）。

在清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院SRT課程的色彩教學(xué)中，本研究團(tuán)隊以若干大小不同的彩色圓盤、木制支架和電機(jī)電池組構(gòu)成實(shí)驗道具以模擬還原麥克斯韋進(jìn)行的轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗。其中較大的圓盤以朱紅、群青、粉綠三色為主，較小的圓盤為匹配顏色和黑色。在電機(jī)的轉(zhuǎn)動下令內(nèi)外兩個圓盤旋轉(zhuǎn)，從而呈現(xiàn)顏色混合后的色彩效果（圖13）。

轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗證實(shí)了所有光譜色都可以由紅、綠、藍(lán)三種原色合成，同時也證明了人眼和大腦在色彩形成中的重要作用，即視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞在接收到光學(xué)信號后，將其傳輸?shù)酱竽X視覺區(qū)域加工處理，最終形成色彩感覺。

（二）設(shè)計實(shí)踐中的應(yīng)用：視覺系統(tǒng)在色彩設(shè)計效果中的介入

對于設(shè)計實(shí)踐而言，該實(shí)驗啟示設(shè)計師們將視覺系統(tǒng)混合色光的生理機(jī)制納入色彩設(shè)計的思考范疇。換句話說，設(shè)計中色彩的最終呈現(xiàn)并非一定需要形成或混合成某種特定的顏色，還可通過不同顏色色塊的并置或疊加，借助空間的距離或物體的旋轉(zhuǎn)，使其反射的色光刺激視覺系統(tǒng)并在大腦中完成混合，形成新的色彩感覺。這種理念早在19世紀(jì)已被印象派畫家應(yīng)用于繪畫領(lǐng)域。他們開創(chuàng)了“點(diǎn)彩”畫法，即令無數(shù)個純色色點(diǎn)并置于畫布上。當(dāng)觀察者從遠(yuǎn)處觀看時，在空間距離的作用下，并置的多彩色點(diǎn)在人眼中混合形成新的色彩視覺感受，且色彩更為明亮鮮艷。在設(shè)計領(lǐng)域，目前也有越來越多設(shè)計師將該混色模式引入設(shè)計實(shí)踐中，以建筑設(shè)計領(lǐng)域為例，許多建筑通過馬賽克式的色塊對建筑立面進(jìn)行裝飾，令建筑立面形成遠(yuǎn)近不同的色彩效果。如荷蘭烏得勒支大學(xué)學(xué)生宿舍樓的外立面由紅、橙、綠、黑、白、灰等多種色彩的鋁板網(wǎng)格構(gòu)成（圖14）。當(dāng)人們從遠(yuǎn)距離觀看建筑時，人的視覺系統(tǒng)捕捉多色鋁板反射的光線并對其進(jìn)行混色處理，以此令紛繁復(fù)雜的多彩馬賽克網(wǎng)格形成相對統(tǒng)一的灰色立面；而當(dāng)人們走進(jìn)建筑時，多彩的單一色塊又會各自獨(dú)立，形成豐富且充滿變化的色彩組合，以此象征來自世界各地且性格各異的年輕學(xué)生。在該建筑立面色彩設(shè)計中，設(shè)計師將轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗中揭示的混色生理機(jī)制應(yīng)用于設(shè)計實(shí)踐，令人們的視覺系統(tǒng)參與到設(shè)計作品的色彩呈現(xiàn)過程之中，從視覺上增強(qiáng)了建筑與人之間的互動與聯(lián)系。

三、顏色匹配實(shí)驗及在設(shè)計實(shí)踐中的應(yīng)用

顏色匹配指的是將兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺感受相同的方法[7]，顏色匹配實(shí)驗在這里主要是指通過三原色光的數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)與待測色光的匹配過程。20世紀(jì)20年代，科學(xué)家威廉·大衛(wèi)·萊特（WilliamDavid Wright）和約翰·吉爾德（John Guild）通過該實(shí)驗分別獲得匹配光譜色所需三原色光的三刺激值。1931年，國際照明委員會（簡稱為CIE）綜合兩人的實(shí)驗結(jié)果與數(shù)據(jù)，先后建立起兩種標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)，即CIE1931 RGB色度系統(tǒng)和CIE1931 XYZ色度系統(tǒng)[7]（圖15），令色彩研究進(jìn)入數(shù)值化、精準(zhǔn)化時期。

（一）實(shí)驗過程與設(shè)計教學(xué)

在該實(shí)驗中，首先通過一個黑色隔板將白色屏幕分割成兩個區(qū)域。在隔板一側(cè)，通過單色儀分離出不同的光譜單色光斑，并保持其固定不變，在另一邊則用紅、綠、藍(lán)三種原色光進(jìn)行混合，生成新的光斑，每種原色光可以通過亮度調(diào)節(jié)對色光的強(qiáng)度進(jìn)行控制，以此獲得不同顏色，并使其與光譜單色光斑進(jìn)行對比。當(dāng)兩部分顏色合二為一時，說明待測色光與混合色光實(shí)現(xiàn)匹配（圖16）。

在清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院SRT課程的色彩教學(xué)中，本研究團(tuán)隊分別以三盞可調(diào)節(jié)光色及亮度的LED燈和三個帶有凸透鏡的光筒構(gòu)成實(shí)驗道具，以模擬顏色匹配實(shí)驗。在該教學(xué)中主要以匹配白光為實(shí)驗?zāi)康模KLED燈分別呈現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三色，并通過移動終端對各色亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終在亮度分別為60%（紅色）、90%（綠色）、40%（藍(lán)色）時，與白光較為匹配（圖17）。

顏色匹配實(shí)驗與CIE色度圖的形成令RGB色光混合規(guī)律的研究進(jìn)入數(shù)值化、精準(zhǔn)化時期，色彩的最終面貌可以通過R、G、B數(shù)值快速便捷地預(yù)測與控制。

（二）設(shè)計實(shí)踐中的應(yīng)用：色彩設(shè)計的數(shù)字化控制與調(diào)節(jié)

對設(shè)計實(shí)踐而言，顏色匹配實(shí)驗為設(shè)計師通過數(shù)字化的方式進(jìn)行色彩設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。隨著計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展，在以新媒體藝術(shù)設(shè)計為代表的信息藝術(shù)設(shè)計中，色彩間的迅速切換主要依靠計算機(jī)編程系統(tǒng)控制，因此色彩的數(shù)字化將成為新時期設(shè)計實(shí)踐中的普遍現(xiàn)象。比如，設(shè)計師Ivan Toth Depe?a在美國邁阿密地鐵大廳設(shè)計的燈光裝置（圖18）中，通過數(shù)字編程的方式控制每個LED燈的運(yùn)轉(zhuǎn)和顏色變化。當(dāng)路人經(jīng)過燈光裝置時，其上的紅外攝像機(jī)會捕捉人體形象，由編程系統(tǒng)進(jìn)行抽象化的色塊處理，并在裝置的顯示面上呈現(xiàn)色彩的變化。在此過程中，燈光的色彩轉(zhuǎn)化成R、G、B數(shù)值形式，由計算機(jī)編程系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)，從而完成色彩的生成和變化。再比如，日本多媒體藝術(shù)設(shè)計團(tuán)隊teamLab在其多媒體藝術(shù)設(shè)計作品“呼應(yīng)的無重力生命森林”（Weightless Forestof Resonating Life）中，將LED燈和接收沖擊信號的芯片感受器置于空間中的若干球體內(nèi)部，通過編程由計算機(jī)控制。當(dāng)球體受到?jīng)_擊時，芯片感受器的信號令計算機(jī)編程系統(tǒng)對LED燈中R、G、B的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而形成球體光色的變化，并通過互聯(lián)網(wǎng)的連接令周圍球體的顏色亦隨之發(fā)生相應(yīng)變化（圖19）。綜上所述，顏色匹配實(shí)驗對色彩數(shù)字化、數(shù)值化的研究為信息藝術(shù)設(shè)計、交互設(shè)計、虛擬環(huán)境設(shè)計等依靠計算機(jī)系統(tǒng)制作并通過聲、光、電設(shè)備呈現(xiàn)的數(shù)字化設(shè)計類型的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

結(jié)論

本文涉及的三個標(biāo)志性光色實(shí)驗在色彩發(fā)展史中是環(huán)環(huán)相扣、相輔相成的。他們分別揭示了色彩的物質(zhì)來源、視覺系統(tǒng)的生理機(jī)制在色彩混合中的作用，以及色彩的數(shù)字化發(fā)展方向，推動人們對色彩的認(rèn)知向縱深方向發(fā)展。對于設(shè)計學(xué)科而言，上述三個光色實(shí)驗對設(shè)計教學(xué)和設(shè)計實(shí)踐具有以下三點(diǎn)重要意義。

第一，意識到自然光是色彩設(shè)計的重要手段。棱鏡色散實(shí)驗不僅令設(shè)計師或設(shè)計專業(yè)學(xué)生理解色彩的物質(zhì)來源，了解色彩形成與光的關(guān)系，同時還啟發(fā)他們運(yùn)用自然光進(jìn)行色彩設(shè)計，從而打破依靠顏料、涂料等物色進(jìn)行設(shè)計的局限，拓展設(shè)計的思路與手段。

第二，意識到視覺系統(tǒng)在色彩設(shè)計呈現(xiàn)中的調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)盤混色實(shí)驗?zāi)芰钤O(shè)計師或設(shè)計專業(yè)學(xué)生了解色彩與生理的關(guān)系，即色彩是人眼和大腦在光的刺激下形成的認(rèn)知感受。其能對不同的色彩信息進(jìn)行處理，從而混合形成新的色彩感受，以此啟發(fā)他們在設(shè)計上將視覺系統(tǒng)納入色彩設(shè)計呈現(xiàn)的考慮范疇中，借助空間的距離或物體的旋轉(zhuǎn)，令不同并置或疊加的色塊，通過人的視覺系統(tǒng)混合形成新的色彩感受，而非需要形成或混合成某種特定的顏色。

第三，意識到色彩設(shè)計的數(shù)字化控制與調(diào)節(jié)。顏色匹配實(shí)驗不僅能使設(shè)計師或設(shè)計專業(yè)學(xué)生直觀地感受與理解RGB顏色系統(tǒng)與混色規(guī)律，構(gòu)建以CIE 1931色度圖為代表的光色顏色空間概念，還能令他們體會色彩數(shù)字化的過程，從而在設(shè)計實(shí)踐過程中更好地借助數(shù)字藝術(shù)軟件工具或計算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)對色彩的控制、調(diào)節(jié)與管理。