【技术前沿】小小程序员的色彩空间

　　假设有这么一个问题，一个油气田公司的报表，想表示在过去的一年里，十二个月中每个月的原油产量和天然气产量的趋势，怎么用一个简单的图表表示呢？大家可能会立刻想到，把每个月的产量在图表上标一个点，然后把这些点连起来，就成了趋势线，原油产量连成一条线，天然气产量连成另一条线。那么如何区分哪条线是原油，哪条线是天然气呢，答案也是很容易想到的，就是用红颜色的线表示原油，蓝颜色的线表示天然气。或者说红颜色的线表示原油，绿颜色的线表示天然气。到目前为止，用户和程序员想的都是一样的。

　　这时候，用户说了，我想用黄色的线表示原油，用紫色的线表示天然气，这样不行？程序员稍稍迟疑了一下说：“行是行，只不过不如红、绿、蓝三种颜色来得方便。”稍微有点色彩方面知识的人都知道，红、绿、蓝这三种颜色是最纯净的三种色，非常鲜艳，称为三原色，其它的颜色都是由这几种颜色混和而成。从程序员的角度来看，产生所有颜色只要用RGB(r, g, b)这个函数就行，这里r、g、b这三个参数表示这三种色的量，最大为255，最小为0，比如想产生红色，只要用RGB(255,0,0)就行了，同理，绿色就是RGB(0,255,0),蓝色就是RGB(0,0,255),那么黄色是怎么出来的呢，这个问题困扰了笔者很长一段时间，直到会用RGB函数以后才试出来的，是RGB(255,255,0),也就是红色和绿色一混合就出来了。同样紫色也是如此，这得尝试一段时间才能得出结果，当然，色彩学得比较好的不用试也知道。这就是前面的用户说要画黄色线和紫色线时程序员比较迟疑的原因，毕竟不是三原色之一，还得试出来。

　　在程序员纠结画什么颜色好时，用户又说话：“我想把成品油的产量也加上去，颜色随你定。”程序员这才放心，三条线正好使用三原色，正合适。当程序员正想准备实施编码时，用户又想起什么事来，对程序员说：“且慢！你能不能把成品油分类，像重油、轻油，还有石蜡这样的副产品也加上去。”程序员稍稍思索一下，数了数：原油、天然气、成品油、重油、轻油、石蜡。共6种，三原色占去三种、三原色中两两混合又是三种，也还合适。

　　这时候用户出去喝咖啡，临走时对程序员说：“你先假设几个数，把图表画出来看看效果。”程序员继续编码，不一会儿图表出来，图表中的线条花花绿绿的非常好看，连程序员自己都很陶醉，等待用户过来检查成果。

　　用户回来之后看着五颜色六色的图表也觉得很不错，忽然他又想起一个问题：“效果很不错，不过，我想把成品油再细分一下，不要重油、轻油，加上汽油、煤油、柴油、石蜡和沥青，天然气……，也细分一下，甲烷和乙炔，先暂时分这两种，以后可能分得更细，要不然把所有的这些成分做在界面上，设置成可以选择，我选哪个，就画哪个，全选上就全都画……”用户喝完咖啡，好像补充了能量，一下子想出更多需求，滔滔不绝向程序员表述。程序员一开始还频频点头，一边点头一边说行、没问题，到最后，却陷入沉思之中。

　　我想大家都猜到程序员在想什么，如果只是规定好要画几条线，哪怕是再多的线也没问题，可以分颜色不断尝试。我们可以在Windows带的画图板中挨个测试，哪种颜色好看就用哪个，只要任何两种颜色之间不重复就行。当用户说完最后一条需求，程序员非常纠结，因为颜色不能再定死，用户选择了几种，程序员就得画上几条线，线条的数量都是不固定，程序员怎么能再试完再画呢？

　　这就出现这样一个问题，如何生成指定数量的不同的颜色？另外再加一个要求：颜色要尽量好看。也就是说生成的颜色要符合两个要求，首要是区分开，其次是好看。

　　程序员最初这样设想：把RGB三原色的量分成几份，每次加一份。比如要画条8条不同的线，那么，就把255分成8份，第一条线是RGB(0,0,0)，第二条线是RGB(255/8,255/8,255/8),这里面的三个参数都要取整。第三条线就是（255*2/8,255*2/8,255*2/8)，以此类推。这样实现起来是相当简单，可出来的效果却非常不令人满意，等程序员一画出来，当时就傻眼，画出来的线既不符合第一种要求，也不符合第二条要求。第一条是黑色，后面的依次灰度下降，全都是灰灰的线条，完全没有美感可言，而且相邻的两条线几乎分不出来，这个算法完全失败。

　　程序员在第一种算法的基础上，吸取教训，产生第二种算法：比如要生成9种线，那么在色彩的每一个分量上都分别累加，前三个色彩在红色分量上区分，如第一种颜色为RGB(255/3,0,0),第二种：RGB(255*2/3,0,0),第三种(255,0,0),中间三种色彩在绿色分量上区分，后三种色彩在蓝色分量上区分。这种算法在结果上与前一种算法相比有了长足的进步，美观度有所提升，而且在量小的情况下也容易互相区分。但其缺点也显而易见，只有三种基本颜色，全靠其灰度来区分，当数量稍大时，两种颜色很容易辨别不出来。

　　以上两种算法犯的毛病有一个共同点，就是没有充分利用色彩空间。何为色彩空间？就是将三个原色作为三个坐标轴，形成的一个正立方体，由此可见，原点的颜色为RGB(0,0,0),即为黑色，而与原点相对的那个点的颜色为RGB(255,255,255),即为白色。第一种算法产生的颜色都集中在从黑到白的这条直线上，自然就都是灰色。第二种算法都集中在三个坐标轴上，所以可选择的颜色相当局促。那么我们最终要做的就是充分利用这个色彩空间。

　　程序员经过长久的思考，想出了以下的方法：为简单起见，不排除产生灰色的线，但要排除白色，因为在图表上显示出不出来，对于给定的数，把这个数均匀地分配到色彩空间中，比如对于9这个数，把红色分为2份，这就能产生3个不同的量，0,255/2,255，把绿色分为一份，可以产生2个不同的量，0和255，把蓝色分为一份，可以产生2个不同的量，0和255,把这其中的每一种做组合，就会产生12种组合（3*2*2)，再去掉白色，还有11种，最后两种放弃不用，完全可行。这样，我们就要充分利用色彩空间。

　　有人问了，你这红色分2份，绿色分1份，蓝色分1份，这份数是怎么出来？这个问题正是算法最关键的地方，如何均分色彩空间。我们力求均匀，也就是尽量让每个分量分的份数一样，比如都分2份，但是份数一样也会产生浪费，比如产生9种颜色，每个分量都分一份，产生2*2*2种颜色，不够，都分两份，就会产生3*3*3种颜色，产生27种，大部分用不上，太浪费。于是我们把每个分量一点点地往上加，比如都分一份不行，那么把其中一个分量加1，也就是红色分成2份，这下就够了。如何找到这刚好不够用的每份都分为1份，那就只好对所要求的颜色数量进行开立方，比如9开立方就是2点几，再取整，就是2，2的话就是分成一份，3的话就是分成2份，以此类推。我们在均分颜色空间时，就从这个开立方取整的数开始找，第一个分量加1看看够不够，不够再把第二个分量加1，最差不过把三个分量都加1。

　　上面的这个算法是要花费一番工夫来编码实现，不过相对于实现之后的成就感，这点辛苦就不值得一提。任何一个成功的算法都是经过反复试算观察结果得到，改进不合理的算法，形成自己的思路，进而实现效果更好的算法，不正是程序员的工作职责所在吗？为工作中的小成就而喜悦，为生活中的小乐趣而快乐，也算的上人生一大美事。