1.2　科研论文配图的配色基础

配色是科研论文配图绘制过程中的重要工作。优秀的配色方案不但可以提高论文的美观度，而且可以高效表达配图内容。本节将介绍科研论文配图的配色基础，包括色彩模式、色轮配色原理、颜色主题和配色工具4个方面。

1.2.1　色彩模式

色彩模式是众多可视化设计者在设计作品时常用的工具。其实，在科研论文配图绘制过程中，我们也可以选择使用色彩模式。常见的色彩模式包括RGB色彩模式、CMYK色彩模式和HEX色彩模式。

1．RGB色彩模式

RGB色彩模式是指通过混合红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）3种颜色来表现各种颜色。该色彩模式利用红、绿、蓝3个颜色通道的变化，以及它们相互的叠加来得到各种颜色值，是目前使用较为广泛的色彩模式。RGB色彩模式为图片中每一个像素的R、G、B分量各分配一个强度值（取值范围为0～255），如黑色可表示为（0,0,0），白色可表示为（255,255,255）。图1-2-1利用三维坐标形式展示了RGB色彩模式，其中，图1-2-1（a）所示为RGB色彩模式的三维立方体示意图，图1-2-1（b）所示为RGB色彩模式对应立方体颜色映射效果。我们可以看出，红色、绿色、蓝色分别位于立方体在坐标轴上的3个顶点，黑色在原点处，白色位于离原点最远的顶点，黄色（Yellow）、品红色（Magenta）和青色（Cyan）分别位于立方体的其余3个顶点。距离黑色顶点越近的顶点颜色越深；距离白色顶点越近的顶点颜色越浅。

2．CMYK色彩模式

CMYK色彩模式可以看作RGB色彩模式的子集。它是一种主要用于彩色印刷的四色模式，其中，C表示青色（Cyan）、M表示品红色（Magenta）、Y表示黄色（Yellow）、K表示黑色（blacK）。与RGB色彩模式的不同之处在于，CMYK色彩模式是一种印刷色彩模式，也是一种依靠反光的色彩模式。尽管RGB色彩模式表示的颜色更多，但它们并不能够全部印刷出来。理论上，把青色、品红色、黄色结合在一起，就可以得到黑色，但是，依靠目前的工艺制造水平，三者结合后的实际结果是暗红色，因此，我们需要加入一种专门的黑墨来中和，即使用定位套版色（黑色）［Key Plate（black）］，以确保输出黑色。在现阶段，大多数纸质期刊在稿件出版阶段都使用CMYK色彩模式的图片。对于网络期刊，我们应该使用RGB色彩模式，因为使用该色彩模式的图片表现效果好，色彩靓丽，更适合在网络中传播。图1-2-2所示为CMYK色彩模式示意图，其中，图1-2-2（a）所示为CMYK色彩模式三维立方体示意图，图1-2-2（b）所示为CMYK色彩模式对应立方体颜色映射效果。我们可以看出，与RGB色彩模式正好相反，在CMYK色彩模式中，黄色、品红色和青色分别位于立方体在坐标轴上的3个顶点，白色在原点处，黑色位于离原点最远的顶点上，红色、绿色和蓝色则位于其余3个顶点。

3．HEX色彩模式

HEX色彩模式，又称十六进制色彩模式，它的原理和RGB色彩模式的原理类似，都是通过红、绿、蓝三原色的混合而产生各种颜色。HEX色彩模式常用于在代码中表示颜色，这一点方便我们在利用代码绘制科研论文配图的过程中更换颜色。HEX色彩模式采用6位十六进制数来表示颜色，而RGB色彩模式中的R、G、B分量则分别采用1个十进制数来表示。简单来说，HEX色彩模式就是将RGB色彩模式中的每个十进制数转换为对应的2位十六进制数来表示，并以“#”号开头，且3字节的顺序如下：字节1表示红色值（颜色类型为红色），字节2表示绿色值（颜色类型为绿色），字节3表示蓝色值（颜色类型为蓝色），1字节表示00～FF范围内的数字。需要注意的是，HEX色彩模式中的每字节必须包含2位十六进制数，对于十进制数（0～255）经过转换后得到的十六进制数只有一位的情况，我们应在这个十六进制数之前补0。例如，十进制数0转换为十六进制数后仍为0，但是，在HEX色彩模式中要将它表示为“00”。图1-2-3所示为HEX色彩模式示意图，其中，图1-2-3（a）所示为HEX色彩模式的十六进制数表示，图1-2-3（b）所示为HEX色彩模式中的颜色示例。

提示： 对于HEX色彩模式，很多读者可能对其转码（如将RGB颜色码转换为HEX颜色码）过程比较陌生，可通过ColorPix、FastStone等屏幕取色工具直接获取颜色码，或者通过Encycolorpedia等网站直接搜索不同颜色对应的HEX颜色码。

1.2.2　色轮配色原理

色轮（color wheel）又称色环，一般由12种基本颜色按照圆环方式排列组成。它是一种人为规定的色彩排列方式。它不但可以帮助用户更好地研究色彩变换和色彩搭配规律，而且允许用户自行设计具有个人风格的配色方案。常见的色轮配色方案有单色配色方案（monochromatic color scheme）、互补色配色方案（complementary color scheme）、等距三角配色方案（triadic color scheme）和四角配色方案（tetradic color scheme）等。图1-2-4所示为具有12色、3轮的4种常见的色轮配色方案。

1．单色配色方案

单色配色方案是指将色相相同或相近的一组颜色进行组合。单色配色方案的饱和度和明暗度明显。单色配色方案比较容易上手，因为用户只需要考虑同一色相下的饱和度和明暗度变化。此外，单色配色方案还具备相同色系的协调性，在使用过程中，不会出现颜色过于鲜艳的情况，保证了所选颜色之间的平衡性。在科研论文配图的绘制过程中，单色配色方案常被用于表示有直接关系、关系较为密切或同系列的数据。需要注意的是，对于单色配色方案中颜色的选择，个数不宜过多，3～5个较为合适。图1-2-5所示为利用单色配色方案绘制的可视化配图示例。

2．互补色配色方案

当只能选择两种颜色时，我们可参考互补色配色方案进行选择。色轮上间隔180°（相对）的两种颜色为互补色。互补色具有强烈的对比效果，因此，它可用于科研论文配图中实验组数据和对照组数据的可视化表达。图1-2-6所示为利用互补色配色方案绘制的可视化配图示例。

3．等距三角配色方案

等距三角配色方案是指将色轮上彼此间隔120°的3种颜色进行组合。等距三角配色方案会让配图的颜色更加丰富，但它在科研论文配图的绘制过程中应用较少。在使用等距三角配色方案时，我们可以将其中一种颜色作为主色，将另外两种颜色作为辅色。图1-2-7所示为利用等距三角配色方案绘制的可视化配图示例。

4．四角配色方案

四角配色方案有两种，一种是图1-2-4（d）中实线表示的两对互补色组成的矩阵配色方案（matrix color scheme），另一种是图1-2-4（d）中虚线表示的方形配色方案（square color scheme）。四角配色方案的优点是能够使配图的颜色更加丰富，缺点是使用时具有很大的挑战性，容易造成色彩杂乱，很多用户很难平衡自己选择的多种颜色。在科研论文配图的颜色选择过程中，我们要尽量避免使用四角配色方案。图1-2-8所示为利用四角配色方案绘制的可视化配图示例。

1.2.3　颜色主题

不同的绘图工具（如R语言中的基础绘图函数、ggplot2绘图工具包等）都有其颜色主题。颜色主题是按照一定的美学规律设计出来的，对其灵活使用可以提高插图的美观度。颜色主题对用户（尤其是初学者）友好，使用户不必将大量时间浪费在配色的选择上。用户可根据自身绘图需求选择合适的颜色主题或自定义颜色主题。一些英文期刊会有专用的一套颜色主题，用户在投稿时将插图颜色主题更改为期刊要求的颜色主题即可。

图1-2-9展示的是R语言基础颜色主题（rainbow）、ggplot2默认颜色主题以及parula（MATLAB基础色系）颜色主题的可视化效果。图1-2-10展示的是ggsci包中3种常见期刊的默认颜色主题的可视化效果。

R语言的ggplot2包及其拓展绘图工具包涉及的颜色主题主要分为3种类型，分别为单色系、双色渐变色系和多色系。

1．单色系颜色主题

单色系颜色主题中颜色的色相基本相同，饱和度单调递增。它的主要维度是颜色亮度（lightness），一般情况下，较低的数值对应较亮的颜色，较高的数值对应较暗的颜色，这是因为可视化配图往往是在白色或浅色背景上绘制的；而在深色背景中，则会出现相反的情况，即更高的数值表示更亮的颜色。单色系颜色主题的次要维度是色调（hue），即较暖的颜色出现在较亮的一端，较冷的颜色则出现在较暗的一端。例如，人口密度的变化就可以使用单色系颜色主题进行表示。图1-2-11所示为部分单色系颜色主题示意图。

2．双色渐变色系颜色主题

双色渐变色系颜色主题主要用在有一个关键中心值（midpoint）的数值变量中，其本质是两个连续单色系颜色主题的组合，关键中心值作为中间点，一般使用白色表示，大于关键中心值的分配中间点一侧的颜色，而小于关键中心值的分配中间点另一侧的颜色。此外，我们可以通过颜色的深浅进行判断，即中心值通常被指定为浅色，距中心点越远，颜色越深。图1-2-12所示为部分双色渐变色系颜色主题示意图。

3．多色系颜色主题

当要表示的数据为类别型数值（类别变量）时，我们可以使用多色系颜色主题。在多色系颜色主题的使用过程中，需要给每个组分配不同的颜色。一般情况下，可尝试将颜色主题中的颜色类别设置为10种或更少，因为使用过多的颜色类别，可能造成分组混乱，导致杂乱的视觉效果。当现有的颜色类别无法表示全部数值时，可将某些数值类别叠加在一起，形成单个其他类别。图1-2-13所示为部分多色系颜色主题示意图。

图1-2-14所示为使用ggplot2包根据tips数据集绘制的单色系、双色渐变色系和多色系可视化配图示例，具体为单色系颜色主题中的ylgnbu色系、双色渐变色系颜色主题中的spectral色系和多色系颜色主题中的set1色系。

颜色主题在科研图形中起着重要的作用，它可以帮助读者更好地理解数据。以下是颜色主题对科研图形的几个作用。

● 强调重点：通过使用鲜明的颜色，可以将重要的数据或信息突出显示，帮助读者快速捕捉到关键内容。

● 分类和区分：通过使用不同的颜色，可以将数据分成不同的类别或组别，使读者更容易辨认和区分不同的数据集。

● 渐变和比较：通过使用渐变的颜色，可以在图形中表示数据的变化趋势或比较不同数据之间的差异。例如，使用渐变的颜色来表示不同的数值范围，从而展示数据的梯度或变化程度。

● 提供视觉引导：选择适当的颜色可以帮助读者在图形中找到特定的数据点或信息。例如，使用醒目的颜色来标记关键数据点或重要的趋势线。

● 增强可读性：使用对比明显的颜色组合可以增强图形的可读性。例如，将亮色和暗色组合在一起，以确保数据和标签清晰可见。

1.2.4　配色工具

想要高效地给科研论文配图选择合适的配色，除使用绘图工具自带的颜色主题以外，我们还可以使用一些优秀的配色工具。通过配色工具，我们可以进行灵活的高级配色。常用的配色工具有Color Scheme Designer网站中的高级在线配色器、Adobe旗下的在线配色方案工具Adobe Color和专业在线配色方案提供网站ColorBrewer 2.0。

1．Color Scheme Designer网站中的高级在线配色器

Color Scheme Designer网站中的高级在线配色器是一个免费的在线配色工具，主要以色环（色轮）的方式供使用者选择配色，包括单色搭配、互补色搭配、三角形搭配、矩形搭配、类似色搭配和类似色搭配互补色6种色环配色方案。Color Scheme Designer网站中的高级在线配色器界面如图1-2-15所示。

高级在线配色器界面包含4个区域，介绍如下。

● 黄色框区域为色环配色选择区域，有6种色环配色方案可供使用者选择。

● 红色框区域为色环显示区域，黑色箭头指向的是根据“三角形搭配”方案选择的颜色在色环中的位置。

● 蓝色框区域为配色方案ID（编号）。

● 绿色框区域为“配色预览”区域。

在高级在线配色器的左上角，选择一个配色方案，所选方案不同，色环上会出现不同数量的圆点。单击或拖动色环上的圆点，右侧“配色预览”区域将即时呈现所选配色的预览图。

在选好色环配色方案后，我们可以通过“配色方案调节”选项（见图1-2-16）进行颜色明度和饱合度的调整，还可以进行配色对比度的调整；“色彩列表”区域展示该色环配色方案对应的所有HEX颜色码。

2．Adobe Color

Adobe Color是Adobe官方推出的在线配色方案工具。它提供了配色模式、图片取色、图片渐变色提取等多个工具，是一个免费的在线工具，用户无须注册或下载即可使用。这里主要介绍Adobe Color的色轮配色工具，它提供了9种智能调色模式和1种自定义模式，支持RGB、HSB、LAB色彩模式。Adobe Color的色轮配色工具界面如图1-2-17所示。

Adobe Color的色轮配色工具界面包括6个区域。

● 黄色框区域包含常用的色轮配色方案，有类别色系、单色系、三角色系、互补色系、正方形色系等。

● 红色框区域为选择色轮配色方案后对应的色轮，拖动白色箭头（图1-2-17中红色箭头指示处），可以统一调整色相和饱和度。

● 蓝色框区域为选定色轮配色方案对应的颜色，中间色块中的白色三角对应色轮中的白色箭头。

● 紫色框区域为色块对应的HEX颜色码。

● 橙色框区域为可选的色彩模式，包括RGB、HSB和LAB。

● 绿色框区域为色彩模式对应的单个维度颜色值，如R、G、B值。

在选定对应的色轮配色方案后，我们可根据它提供的HEX颜色码或R、G、B值进行图片配色的拾取，从而完成配图颜色的选择。诸如图片颜色拾取、渐变色生成等功能，读者可自行探索。图片颜色拾取功能可以帮助科研工作者获取优质科研论文配图的优秀配色，从而高质量地完成论文配图的绘制。

3．ColorBrewer 2.0

ColorBrewer 2.0是一个专业在线配色方案提供网站，它提供了大量的颜色主题，这些主题是众多绘图工具（如Matplotlib、ggplot2等）内置的颜色主题。ColorBrewer 2.0提供的颜色主题类型包括单色系、双色渐变色系和多色系。ColorBrewer 2.0的操作界面如图1-2-18所示。

ColorBrewer 2.0的操作界面包括下列8个模块。

① 表示可选的数据类别数。ColorBrewer 2.0最多支持12个数据类别，建议将数据类别数设置为5～8。

② 表示可选择的颜色主题。ColorBrewer 2.0提供了单色系（sequential）、双色渐变色系（diverginy）和多色系（qualitative）这3种选项。

③ 表示选定颜色主题后的配色方案的选择。在单色系中，还涉及色调的选择，可供选择的色调类型包括多色调（Multi-hue）和单色调（Single hue）。

④ 表示配色方案输出时的注意事项，即用户是否需要考虑色盲情形（colorblind safe）、是否打印友好（print friendly）等。

⑤ 表示具体搭配色系的输出模式及对应的颜色码，可选择的格式包括HEX、RGB和CMYK。

⑥ 用于控制不同配色方案的一些属性，包括道路（roads）、城市（cities）和边界（borders），用户可以用不同的颜色表示它们。

⑦ 表示背景设置区域。背景设置包括纯色（solid color）和地形（terrain）两个选项。用户还可以设置背景颜色的透明度（color transparency）。

⑧ 展示不同配色方案的预览效果。

图1-2-19展示了ColorBrewer 2.0中3种颜色主题对应的配色方案的选择和预览效果。

R语言中的RColorBrewer包和Python的Matplotlib中都包含ColorBrewer 2.0的全部或大部分颜色主题，用户可以在绘制可视化作品时方便地选择颜色。在使用RColorBrewer包时，用户可直接通过设置scale_fill/color_brewer()（scale_fill_brewer()函数或scale_color_brewer()函数）度量（scale）函数中的palette参数来设置绘图的颜色主题。 q95H2PztSVnmCMdNb4CE9x2o3aBgWSlGUkxLZR+dl3TjQzpHTv3d5Y52S12DKxYs