科研作图与配色

目前的情况估计北京的学校半年都开不了学,简直快把做实验的生物狗逼成捣腾数据的程序猿了,再不开学都快忘了实验怎么做了。现在发现了数学是限制我学生信的最终原因,不过生物学这边更注重应用,就不要难为自己去学数学了。谈一些轻松的东西,聊一聊作图和配色吧。

多年业余做宣传和设计的经验

一、色彩基础

(1)RGB色彩模式

红色(red,R)绿色(green,G)蓝色(blue,B)称为三原色光,即RGB。RGB模式是显示器的物理色彩模式。只要是在显示器上显示,图像都是以RGB方式出现的。

所有的图像都是由这三种色光混合成的,但不同图像RGB的含量不同,有的R多一些会偏红色,有的B多一些会偏蓝色。RGB的含量多少就是指亮度。通常情况下,RGB各有256级亮度(0-255),0代表不发光,255代表最亮。纯黑对应的RGB值为0,0,0,纯白对应的RGB值为255,255,255,红色对应255,0,0,绿色对应0,255,0,蓝色对应0,0,255。

256级的RGB色彩总共能组合出256^3=1678万种色彩,称为24位色(2^24),也称为8位通道色(256=2^8)。通道指的是三种色光各自的亮度范围,如果是16位通道色,RGB单独的亮度值为2的16次方,等于65536,能组合出的所有颜色就是2的48次方(48位色)。人眼所能分辨的色彩数量还达不到2的24次方,更多的色彩数量对人眼来说没有区别。

十六进制颜色码中,以#开头,前两位表示红色,中间两位表示绿色,最后两位表示蓝色。例如红色#FF0000,其中FF即十进制的R =255。

(2)灰度色彩模式

灰度色是指纯白、纯黑以及两者中的一系列从黑到白的过渡色。灰度色中不包含任何色相,即不存在红色、黄色这样的颜色。灰度隶属于RGB色域(色域指色彩范围),相当于RGB值相等的情况,灰度的数量是256级。灰度的通常表示方法是百分比,范围从0%到100%。百分比越高颜色越偏黑,百分比越低颜色越偏白。18%的灰度等于82%的RGB亮度。

在photoshop中RGB色彩模式下的图像通道以灰度显示,表示对RGB色光的控制。通道中的纯白,代表了该色光在此处为最高亮度,亮度级别是255。通道中的纯黑,代表了该色光在此处完全不发光,亮度级别是0。介于纯黑纯白之间的灰度,代表了不同的发光程度,亮度级别介于1至254之间。灰度中越偏白的部分,表示色光亮度值越高,越偏黑的部分则表示亮度值越低。

(3)CMYK色彩模式

CMYK也称作印刷色彩模式。只要是在印刷品上看到的图像,就是CMYK模式表现的。CMY是3种印刷油墨名称的首字母:青色Cyan、洋红色Magenta、黄色Yellow,而K取的是black最后一个字母。

RGB模式是一种发光的色彩模式,例如在黑暗的房间内仍然可以看见屏幕上的内容;CMYK是一种依靠反光的色彩模式,阅读报纸需要由外界光源照射到报纸上,再反射到我们的眼中,在黑暗房间内是无法阅读报纸的。

CMYK通道灰度图中较白表示油墨含量较低,较黑表示油墨含量较高,纯白表示完全没有油墨,纯黑表示油墨浓度最高。

色光三原色和颜料三原色

色彩数量上RGB色域的颜色数比CMYK多出许多。一般来说用RGB模式制作的图像,在转换为CMYK模式后,原来较为鲜亮的一些颜色都会变得黯淡。理论上RGB与CMYK的互转都会损失一些颜色,不过从CMYK转RGB时损失的颜色较少,在视觉上有时很难看出区别。而从RGB转CMYK颜色将损失较多,视觉大部分都可以明显分辨出来。

(4)HSB色彩模式

HSB色彩把颜色分为色相、饱和度、明度三个因素。它将颜色深浅概念扩展为饱和度(saturation,S)和明度(Brightness,B;或lightness,L)。饱和度(纯度)相当于色彩浓度,饱和度高色彩较艳丽,饱和度低色彩就接近灰色。当一种色彩加入黑、白或其他颜色时,纯度就产生变化,加入其他色越多,纯度越低。明度也称为亮度,亮度高色彩明亮,亮度低色彩暗淡,亮度最高得到纯白,最低得到纯黑。S和B的取值都是百分比。

色相(Hue,H)就是指颜色的色彩种类,分别是红橙黄绿青蓝紫,这七种颜色头尾相接,形成一个闭合的环。H的取值单位是度,以X轴方向表示0度起点,逆时针方向展开。

色相环


图片来源于网络


二、图像格式

(1)图像类型

电脑中的图像类型分为两大类,一类称为点阵图,一类称为矢量图

点阵图(位图)是由点构成的,如同用马赛克去拼贴图案一样,每个马赛克就是一个点,若干个点以矩阵排列成图案。数码相机拍摄的照片、扫描仪扫描的稿件都属于点阵图。像素(pixel,px)就是组成点阵图像中的那些点,是点阵图最小的单位,每个像素只能有一个颜色。如果一张照片宽400像素,高225像素,意味这幅图像由横方向400个点、竖方向225个点组成,图像的总像素数量就是400x225=9万。 数码相机的3000万像素就是指拍摄出来的图像中的像素总量。如果我们放大照片,就会看到点也同时被放大了,这时就会出现所谓的马赛克现象,也称锯齿现象。显示器也是点阵式的,其点阵数是可变的,如果目前显示器为1366x768像素,也就是说横方向能够显示1366个像素点,竖方向显示768个像素点。

矢量图像属于描述性的,以线段和计算公式作为记录的对象。如果用矢量来记录一条直线,只需要三个信息:直线起点坐标、直线终点坐标、直线的颜色。在还原的时候就利用这三个信息去生成图像。矢量图像放大后是根据放大后的坐标重新生成图像,不会产生模糊和锯齿。

(2)图像大小

像素是一种虚拟的单位,只存在于电脑中,现实生活中是没有像素这个单位的。在现实中我们看到一个人,并不能说他有多少像素高。

像素大小(像素尺寸、显示大小、显示尺寸),指的就是图像在电脑中的大小。文档大小(打印尺寸、打印大小),指的就是这幅图像打印出来的尺寸。

电脑中的像素和传统长度是不能直接换算的,它们需要一个桥梁才能够互相转换,这个桥梁就是分辨率。我们来举一个例子:有一段200米长的街道,现在要在上面等距离地种树,如果每隔40米种一棵,总共可以种6棵。如果每隔50米种一棵,那么总共只能够种5棵了。树木总数相当于像素总量,街道长度相当于打印尺寸,那么树木间距就相当于打印分辨率了。

分辨率为72像素/英寸,换句话就是“每英寸多少像素”。指在1英寸的长度中打印多少个像素。72像素/英寸代表在纸张上1英寸的距离就分布72个像素,2英寸就是144像素。像素数目=分辨率x实际尺寸

通常使用“像素每英寸”作为打印分辨率的标准,简称为dpi(Dot Per Inch)。一般对于打印分辨率的标准为300dpi,低于这个数值印刷出来的图像不够清晰。如果办公喷墨打印机打印或者街头的大幅面广告喷绘,只需要72dpi 就可以了。


三、科研作图

(1)推荐的软件

Excel:最普遍的工具。

PowerPoint:汇报展示,画流程图。

GraphPad:适合医药专业(本人药学出身),可以进行简单的统计分析、绘制统计图表。 

Photoshop:处理照片,修图,图片组合。

Illustrator:画示意图非常有用。

ImageJ:专用于显微镜照片的处理。

R:生信的数据处理和绘图。

用来画图的软件,只需要学一点就可以画各种想画的图了

(2)图像格式

(3)推荐的字体

Times New Roman:正文中的英文和数字字体

Arial:图片中的英文和数字字体

Courier New:等宽字体

symbol:希腊字母


四、软件中的颜色

(1)Office的经典配色

(2)GraphPad的色板

(3)R中的颜色


(4)RColorBrewer

提供了3套配色方案: 连续型sequential,颜色渐变; 极端型diverging,生成深色强调两端、浅色表示中部的颜色,可用来标注数据中的离群点; 离散型qualitative,生成彼此差异明显的颜色,通常用来标记分类数据。

(5)ggplot2的配色

个人认为ggplot2的配色还是很好看的。

(6)其它配色

也可以直接去网上搜索配色方案。

图片来源于网络

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