色彩理论
色彩本身所含有很多信息, 对色彩的研究可以称为色彩学. 对于绘图选择颜色, 不需要掌握色彩学的知识, 但也应该了解基本的色彩和色彩空间 (color space) 的知识.
色彩空间 (color space) 是计算机上颜色的组成形式. 常见的如 RGB, HSV, HCL 等. 不同的色彩空间可以相互转换.
RGB
RGB (Red Green Blue) 的色彩空间参考了人眼所能察觉的自然光的搭配方式, 红绿蓝做为三基色, 可以按照一定的比例搭配出来各种色彩, 其色彩空间是以红 绿蓝三个颜色的比例作为坐标轴的坐标系. 红蓝绿的一样的情况下产生白光, 全 都没有的情况下是黑色, 而剩下的情况则根据颜色的比例不同显示不同的光. 这 样的颜色显示方式也是三基色显示屏显示颜色的原理.
HSV
HSV (Hue Saturation Value/Brighness, 色调 饱和度 亮度) 的色彩空间实际 上是对 RGB 的色彩空间做了坐标变换, HSV 是一个圆柱坐标系, H 为角度, S 为半径, V 为高度. 对于 HSV (假设 S 最大为 1, V 最大为 1), 纯色的饱和度 为 1, 亮度为 1. HSV 色彩空间更符合我们人对颜色的直觉认知. 使用 HSV 色 彩空间, 我们就会趋向于使用饱和度较高的色彩.
HSL
HSL (Hue Saturation Luminance/Lightness, 色调 饱和度 明度) 的色彩空间 和 HSV 很像, 也是对 RGB 色彩空间的坐标变换, 是一个圆柱坐标系, H 为角度, S 为半径, L 为高度. 而在 HSL 中, 饱和度的定义和 HSV 的饱和度的定义不太 一样, 同时明度和亮度的定义也不同. 对于我们通常认为的纯色, 就是红色等, 其饱和度在两种色彩空间中都是 1, 但是对于 HSL, 其明度为 1/2, 而在 HSV 中其亮度为 1. 因为 HSL 中的饱和度和我们所认为的颜色的饱和度不太一样, 所以也被称为色品 (chroma) 来和 HSV 中的饱和度进行区分.
坐标转换
RGB 和 HSV, HSL 坐标系可以进行坐标转换. 即把直角坐标系转换为相应的圆柱坐标系.
CMYK
CMYK 代表青色 (cyan), 品红 (magenta), 黄色 (yellow) 和黑色 (key, black). CMYK 和 RGB 靠颜色相加搭配颜色不同, CMYK 采用的是相减的办法, CMY 三种颜色配合起来是黑色, 而减少其中一种或几种颜色的量就会产生其他颜 色, 如果一种颜色也没有则是白色. CMYK 是印刷业中采用的方法, 为了节约成 本和取得更好的印刷效果, 直接搭配黑色, 而不使用三种颜色来组合为黑色.
R 中的色彩与调色板包和函数
在绘制统计图的时候, 选择合适的颜色会对最后的呈现效果产生巨大的影响. 对 于选择颜色, 有很多需要注意的细节, 自己一个个颜色去调选, 毕竟是费时费力, 而结果又不见得好的事情. R 中定义了很多颜色, 同时, R 中也有很多帮助调选 颜色和调色板的颜色, 可以方便地获得所需要的颜色或者调色板.
grDevices
grDevices 是 R core 维护的包, 提供了对于 R 基本绘图的设备色彩和字体的 支持, 其中有一些方便操作色彩的函数.
colors 函数可以返回一个在 R 中已经定义名称的色彩的向量, 共有 657 个色
彩. R 使用十六
进制的数字去表示颜色, 例如 "#FF0000" 代表 "red" 和 rgb(1,0,0). rgb
函数, hsv 函数和 hcl 函数分别采用 RGB HSV 和 CIELUV 的色彩空间去定义颜
色, 这三个函数会返回十六进制的代表颜色的代码. rgb 函数和 hsv 函数的三
个维度的取值范围均是 0 到 1, 而 hcl 函数的参数相对复杂, h 的取值范围在
0 到 360, 其中 0 为 red, l 的取值在 0 到 100, c 的取值依赖于 h 和 l.
rgb(1,0,0)
#[1] "#FF0000"
hsv(0,1,1)
#[1] "#FF0000"
hcl(h = 0, l = 50, c = 500)
[1] "#FF0000"
如果知道 R 中定义的颜色的名称或者, 可以使用 col2rgb 把名称或者十六进制 代码转换为 RGB 色彩. 也可以使用 rgb2hsv 把 RGB 转换为 HSV 色彩空间. 另 外 convertColor 是更为通用的转换色彩空间的函数, 支持 colorspaces 对象 中所列出的色彩空间.
col2rgb("red")
# [,1]
#red 255
#green 0
#blue 0
col2rgb("#FF0000")
# [,1]
#red 255
#green 0
#blue 0
rgb2hsv(r = 255, g = 0, b = 0)
# [,1]
#h 0
#s 1
#v 1
rgb2hsv(col2rgb("#FF0000"))
# [,1]
#h 0
#s 1
#v 1
在 grDevices 中有一些定义好的函数可以方便地输出特定类型的颜色序列.
- rainbow: 输出各种彩虹色.
- heat.colors: 输出热图色, 为红色经过黄色到白色的渐变色.
- terrain.colors: 输出地形图中会出现的颜色, 为绿色经过黄褐色到白色的渐变色.
- topo.colors: 输出蓝色经过绿色到黄褐色的渐变色.
- cm.colors: 输出从青色经过白色到品红的渐变色.
- gray: 或者 grey. 输出一系列的灰色, 参数 level 代表亮度, 0 为 black, 1 为 white.
- gray.colors: 或者 grey.colors. 输出一个灰色向量.
方便使用的色彩生成函数限制了其使用地灵活性, 如果上面的函数不能满足需求, 还可以使用 colorRamp 和 colorRampPalette 函数. 这两个函数会接受一个色 彩向量作为输入, 指定颜色变换的节点, 其返回值均是一个函数, 该返回的函数 可以根据需要返回计算出的位于指定的颜色节点之间的过渡颜色. 区别在于, colorRamp 的返回函数接受的输入值为 0 到 1 的数字, 返回相对应的 RGB 颜 色, 而 colorRampPalette 则接受一个整数, 返回相应数量的颜色作为调色板.
myReds <- colorRamp(c("red", "white"))
myReds(c(0, 0.5, 1))
# [,1] [,2] [,3]
#[1,] 255 0.0 0.0
#[2,] 255 127.5 127.5
#[3,] 255 255.0 255.0
myBlues <- colorRampPalette(c("blue", "white"))
myBlues(5)
#[1] "#0000FF" "#3F3FFF" "#7F7FFF" "#BFBFFF" "#FFFFFF"
RColorBrewer
RColorBrewer 包中设置好的固定的调色板是来自于
colorbrewer 网站的. 可以使用
RColorBrewer::display.brewer.all() 函数来绘制出该包中设置好的调色板.
而在 brewer.pal.info 变量中保存了这些调色板的信息, 包括名称, 颜色数量类型和是否是色盲友好型.
brewer.pal.info 的结果如下:
| PALETTE | MAXCOLORS | CATEGORY | COLORBLIND |
|---|---|---|---|
| BrBG | 11 | div | TRUE |
| PiYG | 11 | div | TRUE |
| PRGn | 11 | div | TRUE |
| PuOr | 11 | div | TRUE |
| RdBu | 11 | div | TRUE |
| RdGy | 11 | div | FALSE |
| RdYlBu | 11 | div | TRUE |
| RdYlGn | 11 | div | FALSE |
| Spectral | 11 | div | FALSE |
| Accent | 8 | qual | FALSE |
| Dark2 | 8 | qual | TRUE |
| Paired | 12 | qual | TRUE |
| Pastel1 | 9 | qual | FALSE |
| Pastel2 | 8 | qual | FALSE |
| Set1 | 9 | qual | FALSE |
| Set2 | 8 | qual | TRUE |
| Set3 | 12 | qual | FALSE |
| Blues | 9 | seq | TRUE |
| BuGn | 9 | seq | TRUE |
| BuPu | 9 | seq | TRUE |
| GnBu | 9 | seq | TRUE |
| Greens | 9 | seq | TRUE |
| Greys | 9 | seq | TRUE |
| Oranges | 9 | seq | TRUE |
| OrRd | 9 | seq | TRUE |
| PuBu | 9 | seq | TRUE |
| PuBuGn | 9 | seq | TRUE |
| PuRd | 9 | seq | TRUE |
| Purples | 9 | seq | TRUE |
| RdPu | 9 | seq | TRUE |
| Reds | 9 | seq | TRUE |
| YlGn | 9 | seq | TRUE |
| YlGnBu | 9 | seq | TRUE |
| YlOrBr | 9 | seq | TRUE |
| YlOrRd | 9 | seq | TRUE |
brewer.pal 函数可以用来返回所需要的若干数量的颜色. 因为 RColorBrewer 定义好了许多不同类型的调色板, 通过 brewer.pal 函数得到的颜色往往搭配很 好. 使用 display.brewer.pal 函数可以用图像显示出所选择的颜色. 每个调色 板有颜色数量的限制, 所选择的颜色数量应该在 3 到最大值之间.
colorspace
colorspace 包专注于不同的色彩空间的颜色选择和相互转换. colorspace 包中 有 RGB, sRGB, HSV, HLS, XYZ, LUV, LAB 等多种色彩空间的创建函数可以用来 创建色彩对象, 其返回值是一个 S4 的对象. 同时也有 hex 函数来把 S4 色彩 对象转换为 R 中的十六进制色彩代码. hex2RGB 则可以把十六进制色彩代码转 换为 RGB 对象.
对于不同的色彩空间的对象, 可以通过 as 函数来转换. 可以使用 coords 函数获得色彩对象在对应色彩空间的具体的值.
myred.rgb <- RGB(1, 0, 0)
(myred.hls <- as(myred.rgb, "HLS"))
# H L S
#[1,] 0 0.5 1
isS4(myred.hls)
#[1] TRUE
(myred.hls.coord <- coords(myred.hls))
# H L S
#[1,] 0 0.5 1
class(myred.hls.coord)
#[1] "matrix"
mixcolor 函数可以计算两个颜色调配出的颜色. desaturate 函数可以在 HCL 色彩空间内把输入的颜色 (十六位进制代码) 转换为相应亮度的灰度.
mixcolor(
alpha = 0.5,
color1 = hex2RGB("#FF0000"),
color2 = hex2RGB("#0000FF")
)
# R G B
#[1,] 0.5 0 0.5
desaturate("#FF0000")
#[1] "#7F7F7F"
choose_palette 函数提供了一个图形化的选择调色板的界面, 可以直观地选择颜色和设置调色板.
Palette
ColorBrewer
| BrBG
| PiYG
| PRGn
| PuOr
| RdBu
| RdGy
| RdYlBu
| RdYlGn
| Spectral
| Accent
| Dark2
| Paired
| Pastel1
| Pastel2
| Set1
| Set2
| Set3
| Blues
| BuGn
| BuPu
| GnBu
| Greens
| Greys
| Oranges
| OrRd
| PuBu
| PuBuGn
| PuRd
| Purples
| RdPu
| Reds
| YlGn
| YlGnBu
| YlOrBr
| YlOrRd
Multi Color System
tropical <- c("darkorange","dodgerblue","hotpink","limegreen","yellow")
springtime <- c("#f6eb7b", "#e5769e", #b3f281", "#73a8e3", #c184ec")
amy <- c("#ee693f", "#b3de81", "#e8a735", "#3a5199", "#ffec5c")
cbPalette <- c("#999999", "#E69F00", "#56B4E9", "#009E73", "#F0E442", "#0072B2", "#D55E00", "#CC79A7")
cbbPalette <- c("#000000", "#E69F00", "#56B4E9", "#009E73", "#F0E442", "#0072B2", "#D55E00", "#CC79A7")
Single Color System
springgreen <- c("#7aa14c", "#86b251", "#a3d468", "#b7ea7b", "#cff99e")
cleanwater <- c("#0669a5", "#0479c1", "#038de1", "#18a5fb", "#4cbbff")
