森林色彩三要素独立变化对观赏效应的影响*

秦一心　方　亮　张　龙　史久西　王　斌

1　内蒙古农业大学林学院　呼和浩特　0100192　中国林业科学研究院亚热带林业研究所　杭州富阳　311400



森林色彩三要素独立变化对观赏效应的影响*

秦一心1方亮1张龙2史久西2王斌2

1内蒙古农业大学林学院呼和浩特0100192中国林业科学研究院亚热带林业研究所杭州富阳311400

摘要：色彩是色相(H)、纯度(S)、明度(B)三要素的组合，森林色彩研究中通常采用这个组合指标，但缺乏对三要素独立效应的深入认识。文中以典型森林色彩景观图片为基础，在画面形象固定不变的前提下，设置色相、纯度、明度色彩三要素变化梯度，开展单因素控制试验，研究分析色彩三要素独立变化的观赏效应。结果表明：色相、纯度、明度色彩单因素变化与观赏效应的相关性均达到极显著水平(P<0.01)。观赏性随色彩单因素的变化遵循二次曲线(R2>0.8321)分布，三要素梯度序列中存在观赏性最佳的图片——基准图片。随着处理水平不断偏离中央基准状态，观赏性不断降低，且明度、纯度向降低方向，色相往偏紫方向变化，引起的观赏效应降低更为显著。色彩三要素中影响效果最显著的是明度变化，其次为纯度，最后为色相，明度的影响约是色相的3.25倍、纯度的1.34倍。色彩三要素的最佳观赏范围为：色相22°～226°，纯度35%～70%，明度37%～78%。基准图片所带来的观赏感受最舒适，向绿色方向变化的图片给人以宁静、冷淡之感，向紫色方向变化给人以神秘、华丽和兴奋之感。

关键词：森林色彩，色彩三要素，变化，观赏效应

色彩作为影响森林观赏效果的重要因素之一，其特点是直接、鲜明且具有丰富的表现力，不同色彩要素的组合和对比会带来不同的观赏感受，影响森林的观赏效应[1-3]。色彩是色相(H)、纯度(S)、明度(B)三要素的组合，三者具有相对独立又相互依存、不可分割的紧密关系。色相是区别不同色彩的名称，是色彩赖以存在的基础；明度是指色彩的明暗程度，是色彩形成的基础与骨骼，也是人眼最敏感的色彩特征；纯度是指色彩的鲜艳程度，会影响色彩的相貌及品格，同时也具备协调画面的视觉功能[4-6]

色彩研究所涉领域广泛，艺术色彩研究的历史悠久，迄今已建立起成熟的理论与方法，色彩系统便是杰出成果之一。色彩系统是色彩量化分析的基本工具，一些国际上常用的色彩系统包括美国蒙塞尔系统(MUNSELL)、德国奥斯瓦尔德系统(OSTWALD)、日本色彩研究配色应用体系(PCCS)等[7]。中国流行色色案以Pantone色彩体系为量化依据，可应用SPSS统计软件进行色案特征分析[8]。IT领域对色彩的量化表达与运算独树一帜，迄今已有多种量化算法，如：基于图像直方图中的信息进行量化、采用数值判据判别原色彩和量化色彩之间的差别、限制最大色彩偏差、基于聚类分析进行色彩量化等[9-13]。色彩认知对人类心理和情绪所产生的影响长期以来被心理分析学者所关注，这一历史可以追溯至弗洛伊德对色彩和艺术家心理间所产生的相互作用的研究[14]。19世纪德国生理学家赫林首创心理学原色理论，指出青与黄、红与黄、黑与白是影响人的感觉、情绪和思想的原色；鲁道夫·阿恩海姆(Rudolf Arnheih)运用格式塔心理学分析视觉艺术，将心理研究纳入视觉知觉心理研究的科学系统中；日本色彩学家小林重顺运用色彩图像指标从事色彩心理学方面的研究，拓宽了色彩学的研究范围和应用领域[15-18]。

森林色彩的形成是基于森林植物群落分布与森林景观的季相变化所形成的，不同植物群落格局会形成不同的森林色彩格局，不同季节森林景观也会呈现出不同的色彩变化。森林色彩的评价研究常包含于森林美学评价，以美景度评估法(scenic beauty estimation,简称SBE)为代表，色彩作为构景因子之一，常以色彩丰富度、色彩指数等定性、半定量指标纳入评价模型[19-21]，色彩指标包含了色相、纯度、明度三者的混合信息，对于HSB独立影响森林色彩的观赏效应还缺乏认识。

本文尝试借助艺术与IT等领域有关色彩量化、要素分解、观赏心理分析等方法和手段，通过色彩单因素控制试验，揭示HSB对观赏效应的单独影响规律，以期为今后进一步开展色彩要素综合影响研究提供必要依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

根据色彩类型、数量、格局分布等信息的不同表达，选取不同地区不同季相成熟稳定具有代表性的景观林图片样本24张，作为研究所需的原始图片样本，参考正交试验法，分别设置色相、纯度、明度为实验三因素，每因素设五水平，即五个变化梯度，制作试验图片，总计360张。由图片形成的因素——水平组合变化为一个重复，共24个重复。

1.2 水平设置

每张图片分绿色基底和色彩两个区域，其中绿色基底不做处理，对色彩区域进行单因素变化处理。处理以保持视觉真实性为原则，确定边界，然后以原始图片为中心，向上(明度、纯度增加、色相倾向绿色)、向下(明度、纯度降低、色相倾向紫色)各两等份，每个等分点及原始图片各设为一个水平，共五水平。以原始图片为基准(对照)，处理水平为0。向上变化到极限的HSB组合为Hmax，Smax，Bmax；设置处理水平为2。向上变化到中间点的HSB组合为Hmax/2，Smax/2，Bmax/2；处理水平为1。同理设置两个向下处理水平分别-2(Hmin，Smin，Bmin)和-1(Hmin/2，Smin/2，Bmin/2)。

1.3 色彩提取

选择线性色彩空间HSB作为色彩空间，对360张图片样本，分别提取色彩区域的色彩信息[22]，包括色块数量(设定为10)、每个色块的十六进位编码(Hex)、色彩三要素HSB(Hue、Saturation、Brightness)值以及色块所占面积(%)。其中，H取值范围为0-360°，S为0-100%，B为0-100%。色彩信息利用ColorImpact软件提取。同时，针对每个色块的HSB值，求取其与面积的加权平均值，作为后继运算的基本数据。

1.4 观赏效应评价

采用SBE评价法，将已处理好的图片分为24个大组(重复)、每大组3个小组(因素)，每小组5张图片(水平)制作成一幅幻灯片，共72幅，进行幅内(即水平间)比较评价，评判时间设为每幅幻灯片1.5分钟。利用李克特(LIKERT)五分量表法设计评价标度，将1-5分标度定义为：很差、差、一般、好、很好。借鉴色彩心理学中将心理感受词汇与相关色彩对应的方法[23]，进行色彩色相的观赏心理评价。设计规范化描述语言,如：明快、活力、天真、热情、兴奋、华丽、恬静、柔和、朴实、凝重、阴郁、冷淡、神秘、邪乎、恐怖、洁净、肮脏等,要求评判者做出选择，可同时多选。

本次研究发放调查问卷共325份，有效收回率94.5%。本研究评判者分为学生组与非学生组，学生组中林学及相关专业学生60人，非相关专业学生60人，其中本科学历94人，硕士学历23人，博士学历3人；非学生组来自随机选取的城市及农村居民205人，其中男性93人，女性112人。数据分析显示，不同身份、职业被调查者的调查结果并无显著差异。

1.5 数据统计分析

应用SPSS20.0软件，通过单因素方差分析法和最短显著极差法(shortest significant ranges ，SSR)分析色彩三要素的变化对林相观赏效应影响的差异显著性，用双变量Pearson相关系数分析相关性[24]。采用偏相关分析法，在其他两个色彩要素为控制变量的前提下，分析单一色彩要素变化与林相观赏效应之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 单因素不同处理水平的观赏效应

根据不同处理水平对观赏效应的影响进行方差分析，结果见表1。单因素不同处理水平对观赏效应的影响均显著(P<0.01)，水平内对观赏效应的影响不显著，表明试验设计突出了水平间的作用而限制了水平内的影响，达到预期目标。

表1　现行规范中的绿地系统指标

色彩不同要素、不同处理水平的观赏效应得分统计见表2。色彩三要素试验样本中均存在观赏性最好的图片，即原始图片，随着处理水平不断偏离中央原始状态，观赏性也不断降低，且两相邻处理水平间观赏效应差异均为显著，表现出一致的规律。表2中观赏效应百分值相当于评价结果的百分制得分，以色相为例，-2，-1，0，1，2五个处理的效应值分别为36.19，68.67，100，82.60，59.40分，从这个序列可见，基准图片左右两侧对应位置(-2与2，-1与1)的得分不同，左侧显著低于右侧，表明加强紫色倾向相比于加强绿色倾向，更容易引起观赏效应下降。纯度、明度的变化也有类似结果，即降低比提高更容易引起观赏效应下降。

表2　色彩三要素不同处理水平观赏效应得分

注：数值为得分平均值±标准差；同行不同小写字母表示在0.01水平上差异显著。

2.2 单因素变化——观赏效应曲线拟合

为进一步揭示色彩不同要素、不同处理水平对观赏效应影响的数学规律、两者关系的密切程度，将观赏效应评价值作为因变量Y，图片平均明度、色相、纯度变化分别作为自变量X，进行单因子曲线回归，所得最优的均为二次曲线(图1)。图1形象显示了随着处理水平不断偏离曲线中央，观赏性不断降低的趋势。曲线拟合效果良好(R2>0.8321)，表明色彩单因素变化与观赏效应之间有着密切的关系，单因素试验具有一定统计意义。但未达到完全拟合的精度(R2接近1)，表明试验因素与控制因素之间可能存在某种关联，从而综合影响观赏效果。同时，色相、纯度、明度与观赏效果3个拟合曲线的回归决定系数略有不同，分别为纯度(0.8873)>色相(0.8613)>明度(0.8321)，意味着因素独立性也是不同的。

图1　观赏效应单因素变化曲线

计算得到基准图片的平均HSB值为124/53/57。由图1可知，相对于基准图片(Y轴)，H，S，B最佳观赏位置(曲线顶点)均有小幅右移，其中纯度的右移最为明显，最佳观赏值在57+4.6379%处,色相的右移最不明显，在124+0.9167°处，明度介于两者之间，在53+1.1026%处，表3。

不同色彩要素影响观赏效应的敏感性也有差异。根据二次曲线的性质，开口越大，自变量对因变量的影响越大。由图1、表3可见，明度曲线的开口最小(a=-0.0039)，纯度其次(a=-0.0029)，色相最大(a=-0.0012)，可见明度变化对观赏效应的影响最为敏感，其次是纯度，最后是色相。从二次项系数比例看，明度对观赏效应的影响约是色相影响的3.25倍，约是纯度的1.34倍。

2.3 色彩三要素作用机制分析

色彩三要素之间是相互影响、相互依存的关系，其中一个要素的改变会引起其他两个要素的相应变化，同时影响整体画面的观赏性。取色相、明度、纯度单因素试验结果分别作为分析数据集，进行三要素之间的Pearson相关、三要素与观赏效应之间的二阶偏相关分析，结果汇总见表4、表5。

由表4可知，色相、纯度、明度之间的相关性为极显著(P<0.01)且均为正相关，即色彩明度增加，有提高纯度、增加绿色倾向的作用；纯度提高，也有增加画面亮度，增强绿色倾向的效果，反之，明度(纯度)降低，则有促进纯度(明度)降低，画面变暗，紫色倾向加强的作用。

表3　观赏效应单因素变化曲线的顶点坐标

表4　色彩三要素变化相关性

注：**表示在0.01水平上显著相关。

表5　色彩三要素变化与观赏效应二阶偏相关性

注：**表示在0.01水平上显著相关。

由表5可见,当控制两个色彩要素时，另一个要素的变化与观赏效应之间依然均为极显著负相关(P<0.01)，观赏效应随色彩三要素变化幅度的增大而降低。从表4与表5可知，明度与其他两个色彩要素相关性最大，与观赏效应的简单相关性最大，但二阶偏相关最低，这表明明度是一个综合性更强的要素，通过其他要素而综合影响观赏效应。从综合效应看，明度的影响最为显著，其次为色相，最后为纯度。

统计结果还显示，当色彩色相、明度、纯度分别为试验变量，其他两个色彩要素为影响因素时，试验变量的变化范围较大(20%～60%)，而影响因素的范围较小(5%～20%)，说明试验设计基本上达到了控制相关变量、突出目标变量的目的。

2.4 色相变化与观赏感受

根据色彩心理学研究，不同色相会使人产生不同的心理感受[24-25]。森林色彩是一种有着生命活力的色彩，其观赏感受如何呢？本研究对观赏心理的评判选项进行简单频数统计，取频率10%以上者参与计算，计算结果显示，基准图片给人的感受以柔和朴实为主，绿色倾向图片的感受以冷淡、宁静为主，紫色倾向则以神秘、华丽、兴奋为主，与其他物质材料的色彩观感基本一致。

2.5 最佳观赏范围

以基准图片为标准提取所有色块，计算HSB，按H=124+0.9167°、S=57+4.6379%、B=53+1.1026%右偏处理，从低到高排序，获得HSB变化范围代表森林色彩最佳观赏范围，分别为22°～226°，35%～70%和37%～78%。最佳观赏范围包含了无穷的色彩组合，通过以HSB值22-226/70/78，22-226/35/78，22-226/70/37 ，22-226/35/37为例分别制作色轮，可以得到最佳观赏效应的极端色彩。当色彩三要素取值超过此范围，即过高或过低时观赏效应都会降低。

色轮制作结果还可直观显示明度变化效应显著于纯度变化效应,如色轮纯度升高，明度不变，视觉感受变化较小，而明度升高，纯度不变，视觉感受变化较大。这说明色相决定色彩的属性，纯度与明度决定色彩的品质，明度变化对于画面视觉感受影响较大，而纯度影响较小，在实际应用中应更加注重对于色彩明度的调整与利用。

3 结论与讨论

3.1 森林色彩三要素独立变化试验结论

HSB单因素梯度变化与观赏效应均成极显著相关(P<0.01)。梯度序列中，观赏性最佳的图片是原始图片，随着处理水平不断偏离中央原始状态，观赏性也不断降低。其中色彩明度变化所引起的观赏效应变化最为强烈，其次为纯度变化，最后为色相变化。明度对比是色彩构成中最重要的因素，从单因素变化的观赏效应看，明度的影响是色相的3.25倍，是纯度的1.34倍，与艺术领域的相关研究结果类似[26]。观赏效应随处理水平的变化符合二次曲线，拟合效果良好(R2>0.8321)，表明单因素试验具有一定统计意义。

色相是反映色彩不同品质与形象的要素，色相的变化将引起色彩性质的变化，从而影响观赏心理。基准图片所带来的观赏感受最舒适、观赏效应最好，同时向绿色方向变化与向紫色方向变化的图片感受明显不同，向绿色方向变化的图片给人以宁静、冷淡之感，向紫色方向变化给人以神秘、华丽和兴奋之感，与色彩心理学所的研究结果相似。

森林观赏效应随目标要素离基准值距离的增大而降低，每组图片中的基准图片所得评分最高，观赏性最强。色彩三要素的最佳观赏范围为：色相22°～226°，纯度35%～70%，明度37%～78%。色彩三要素最佳观赏范围居于其分布范围的中等水平，色彩对比较为柔和时其观赏性最强，色彩三要素过于偏高或者偏低均无法得到较好的观赏感受。

试验结果显示，目标因素的变化与观赏效应均成极显著相关，其他两个色彩要素的变化与试验因素成极显著相关(P<0.01)，但在控制条件下，其变化幅度显著低于目标因素，对整体画面观赏效应的贡献有限。可见，试验要素为主要影响因素，影响整体画面的变化进而影响观赏效应的变化，其他两个要素为辅助影响因素，色彩单因素控制试验方法可行。

3.2 森林色彩观赏效应讨论

森林作为有生命的景物，色彩变化和观赏感受受到环境与季节的影响，因此更加复杂也更加敏感。在进行彩色植物材料选择配置森林色彩时，应遵循宁亮勿暗，宁绿勿紫的原则，选用色彩明度与纯度相对较高、偏向暖色系的植物；相比于灰暗、紫色倾向的植物更有利于保持森林景观的观赏性，如色彩鲜艳的树种(如三角枫、野漆树、山乌桕)[27]，其观赏效应要优于色彩灰暗的树种(如部份枫香、水杉)；明度较高的黄色系树种(如银杏、无患子)，优于明度较低的紫色系树种(如紫叶李)。在森林色彩景观营造中，应根据不同场合和目标运用不同的方案，如要营造静谧环境，应以绿色植物为主，色彩数量不宜丰富，以给人安全、宁静之感；繁华之处可以应用偏向紫色、红色、黄色的暖色调植物，同时适当调整色彩丰富度，给人以华丽、兴奋之感。

本研究旨在通过色彩单因素控制试验，揭示色相、纯度、明度因子对观赏效应的单独影响规律，仅仅是色彩现象分析研究的一个方面。然而，影响色彩观赏效应的原因十分复杂，需要进行分析与综合多方面的研究才能获得最终成果。关于森林色彩三要素对观赏效应的综合影响、森林色彩格局分析以及森林色彩可量化模板的提取与建设都有待进一步研究。

色彩是影响森林景观观赏效果的重要因素之一，合理的色彩搭配能营造丰富多彩、令人愉快的森林景观，而色彩搭配主要通过树种的配置来体现，树种配置不当直接影响色彩搭配的最终效果。本研究中基准图片均取自于已经成熟稳定的景观林，因此具有较高的借鉴价值。可将其色彩基本信息与色彩格局进行量化形成模板，对应相应的树种组合，以期为今后的林相建设与改良提供良好的依据。

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Aesthetic Effects of Individual Variation of Three Forest Color Elements

Qin Yixin1Fang Liang1Zhang Long2Shi Jiuxi2Wang Bin2

(1.Forestry College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China;2.Research Institute ofSubtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Hangzhou 311400,Zhejiang, China )

Abstract:Color is combination of three elements of hue (H), saturation (S), and brightness (B). This combined indicators are commonly adopted in the research on forest color and however there is no thorough study on the individual effects from the three elements.The study carried out the individual element control experiments by using typical forest color landscape pictures and setting up gradients of variation of H, S and B on the precondition that there is no change of the base, with the aim to analyze the aesthetic effects of the individual variation of the three elements of color. The results showed that aesthetic value is significantly correlated (P<0.01) to the changes of individual color elements of H, S and B. Aesthetic value is correlated linearly with individual color element change via quadratic curve (R2>0.8321),and a best aesthetic image, i.e., base image, is obtained from the ordering of the gradients of three color elements; further processing shows that aesthetic value gradually degrades if any color element varies from the base image. The degradation is more noticeable, and when brightness and saturation are lowered, and hue goes toward purple. Of the three color elements, brightness affects aesthetic value the most, followed by saturation and hue. Brightness has the effect approximately 3.25 times of hue and 1.25 times of purity. For the best aesthetic value the three elements of color should fall in the following ranges of hue 22°～226°, saturation 35%～70% and brightness 37%-78%. The base image brings the most comfortable visual effect. The images with more green bring people with calm and serenity, while those with more purple are visually more mystical, magnificent and stimulating.

Key words:forest color, three elements of color, variation, aesthetic effect

收稿日期：2015-12-29

*基金项目：林业公益性行业科研专项经费项目“美丽城镇森林景观的构建技术研究与示范”(201404301)；中国林科院中

DOI：10.3969/j.issn.1672-4925.2016.03.006

央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目“生态风景林色彩量化分析与配置技术研究”(RISF2014009)作者简介：秦一心(1989-)，女，在读硕士研究生，研究方向为城市林业。E-mail:qinyixin1225@163.com
通信作者：方亮(1958-)，男，教授，硕士生导师，研究方向为森林培育理论与技术。E-mail:fang1958@163.com