滚动现今色彩系统如RGB和CYMK均以文字编码色彩,并需要大量数值来表示不同的颜色,令运算困难,兼转换费时。最近香港城市大学(香港城大)的科研人员透过创建一套崭新的色彩系统“C235”,为解决上述难题取得重大突破。这套C235色彩系统利用质数实现了高效编码和有效的色彩压缩,可统一现有不同的色彩系统,于设计节能的LCD系统、对DNA密码子进行生物着色等不同领域,均具有庞大应用潜能。
目前最常用的两大色彩编码系统,分别是RGB和CMYK。其中RGB(红色、绿色、蓝色)是包含了3×256个字母符号值的色光系统;CMYK(青色、洋红、黄色、黑色)则是一种包含4×100个字母符号值的色料系统。其他色彩系统如HSV(色相、饱和度、明度)都是由RGB和CMYK衍生出来的。
尽管这些色彩系统被广泛采用,但它们有不少缺点。由于它们是以英文字母来编码色彩,因此难以明确地表达不同颜色之间的关系并进行数学运算,令不同颜色之间的转换速度欠佳。此外,RGB系统中的每个R、G和B编码为(r,g,b)都各有256个数值[0,1,2,…,255],而CMYK系统中的每个C,M,Y和K也各有100个数值。故此,要在同一个色轮上分配和放置如此多的颜色和色调,变得非常困难,而且若要把部分色彩叠加混和、以产生所需的颜色时,这大量的色彩值会造成巨大的运算负担,影响效率及速度。
为了克服这些问题并创建出更好的色彩系统,由香港城大校长暨大学杰出教授郭位教授领导的科研团队最近基于质数理论和“哥德巴赫猜想”,设计了一套崭新的色彩编码系统C235,为颜色编码和把东西“着色”。
C235色彩系统的多层色环,显示图中的36种不同色彩编码。基本的C235色彩系统有36种色调/颜色,3种灰度级别,它们被分配到3个色环和12个部分。内圈有3个灰色编码,外边被36种色调/色彩编码包围,它们分布于3层的色环之内,分别属于色轮外的12个部分。(图片来源:© Li, H. et al. https://www.nature.com/articles/s41377-023-01073-x)
郭校长说:“我们提出的C235色彩系统为色彩的高效编码和有效操作运算,提供了统一的表达方式。它为色彩和色光的操作,打开了更广泛应用的大门。”
新开发的C235色彩编码系统使用了数学世界首三个质数,即2、3和5,分别代表红、绿和蓝三种基本颜色。研究人员透过乘法运算,为每种色光和色料计算出独特的色彩编码,令不同颜色的叠加和混合都可以做运算。
在C235色彩系统中,色码<2>代表红色,<3>代表绿色,<5>代表蓝色。因此,色码<6>=<2X3>,代表黄色(Y)(注︰如同混合红和绿会产生黄色的效果);色码<15>=<3X5>代表青色(C),色码<18>=<3X6>代表黄绿色(YG),色码<45>=<3X15>则代表青绿色(CG)。C235系统中的每一种色彩均与相应的一个灰度级别联系起来,以显示有关色彩的光度或浓度。由于<30>=<2X3X5>代表白光,科研团队使用30的不同次方(如301、302、303)表示灰度级别,而次方愈高,代表颜色愈深或愈浓。
崭新的C235色轮统一了RGB、CMYK和HSV三大色彩系统。C235色轮经压缩后,能够以少很多的原始色彩(关键值),去表达原有RGB、CMYK和HSV色彩系统全部2563种不同色彩。(图片来源:© Li, H. et al. https://www.nature.com/articles/s41377-023-01073-x)
与现有的RGB及CMYK相比,新开发的C235色彩系统具有许多优点。首先,所有颜色都用质数表示,因此更容易数码化。基于质数的特性,每种颜色仅有一个代码,独一无二。其次,C235色彩系统可以实现与RGB或CMYK色彩系统之间的快速转换,并且可以使用“哥德巴赫猜想”把数百万种色彩压缩到仅是原本的1%,然后把这色彩放在同一个颜色轮上,从而大幅节省储存空间及方便快速存取。此外,由于C235色彩系统中各种颜色可以轻易叠加和混合,因此运算速度变得更快。
科研团队展示了新研发的C235色彩系统在未来有很多应用潜能。例如,传统液晶显示屏LCD(常用于电视、显示器或手机屏幕)上的每个像素,需要合共24个脉沖来驱动LED发出红、绿和蓝的色光。若使用C235,所需脉沖数量仅为传统液晶显示屏的四分一,大大节省时间和电力。
C235色彩系统亦允许用户可极其方便地混合色光与色彩,并促进智能照明系统的设计。因此,C235色彩系统可以广泛应用于时装展、画展和商品展示,新系统亦可以轻易地作出调整,从而对DNA密码子或为任何具有多种属性的对象进行“着色”。
智能照明系统的设计:a)在自然光下肉眼观察到的苹果色彩;b)加入“控制光”照射后肉眼观察到的苹果色彩。(图片来源:© Li, H. et al.https://www.nature.com/articles/s41377-023-01073-x)
上述研究成果已于科学期刊《Light: Science & Applications》上发表,标题为〈Unifying colours by primes〉。
同时是香港城大香港高等研究院(高等研究院)资深院士的郭位教授是有关论文的通讯作者。第一作者是香港城市大学管理科学系前教授黎汉林教授。其他合作者包括来自北卡罗来纳州大学的方述诚教授以及来自国立阳明交通大学的林妙聪教授。这项研究得到了高等研究院的资助。
图左起为黎汉林教授、郭位校长、林妙聪教授和方述诚教授;郭校长与一众合作者研发了一套崭新色彩系统C235,利用质数统一现时不同的色彩系统。(图片来源:香港城市大学)
