RGB、YUV、HSV和HSL区别和关联
RGB、YUV、HSV和HSL区别和关联近期在做的一个需求和颜色转换有关系,所以本篇将开发过程中比较常见的 四种颜色 进行一番梳理。
一、RGB颜色空间
从我们最常见的RGB颜色出发,RGB分别对应着 Red(红)、Green(绿)、Blue(蓝),也就是我们平时所说的三原色,调整这三种颜色的比例,可以搭配出所有的色彩。
这时你可能就要问了,YUV、HSV、HSL也能描述所有色彩啊,为啥RGB是最常用的捏?
这就要回归到现实了,现实里显示器显像时,每一个像素点后面对应着 3个发光二极管,这3个二极管可以分别发出 红、绿、蓝 三种颜色,因此绝大部分人所能接触的颜色只与RGB有关系。
RGB(红绿蓝)是依据人眼识别的颜色定义出的空间,可表示大部分颜色。但在科学研究一般不采用RGB颜色空间,因为它的细节难以进行数字化的调整。它将色调,亮度,饱和度三个量放在一起表示,很难分开。它是最通用的面向硬件的彩色模型。该模型用于彩色监视器和一大类彩色视频摄像。
二、YUV颜色空间
YUV 多出现在音视频合成领域,音视频合成领域要求在表达同样内容时,争取占用更少的空间。同个视频,YUV空间要比RGB空间描绘省下来一半的空间消耗(YUV4:2:0)。
YUV(也称:YCbCr):Y表示明亮度,UV的作用是描述影像色彩及饱和度。
主要的采样格式有 YUV4:2:0(最常用)、YUV4:2:2 和 YUV4:4:4 ,也就是说 RGB 主要用于屏幕图像的展示,而 YUV 多用于采集与编码。
YUV 和 RGB 相互转换的公式为:
三、HSV(HSB) 和 HSL
可以发现 RGB 主要为硬件显示器服务,YUV 主要为音视频编解码服务,这么说下来和色彩最亲密的 设计师 该用哪种颜色呢?
他们也有自己行业特别关注的颜色,主要使用 HSV 和 HSL。
(一)为什么RGB不适用于图像处理
人眼对于RGB这三种颜色分量的敏感程度是不一样的,在单色中,人眼对红色最不敏感,蓝色最敏感,所以 RGB 颜色空间是一种均匀性较差的颜色空间。如果颜色的相似性直接用欧氏距离来度量,其结果与人眼视觉会有较大的偏差。对于某一种颜色,我们很难推测出较为精确的三个分量数值来表示。
简单来说,如果计算不同颜色之间的对比度,如果使用 RGB 来计算:
(R1-R2)^2 + (G1-G2)^2 + (B1-B2)^2
即使两组颜色数值相同,人的感触还是不一样的,比如这里我选三个颜色:
[*]RGB_1:110,0,110
[*]RGB_2:60,0,100
[*]RGB_3:160,0,110
可以看到尽管 RGB_1 和 RGB_3 距离 RGB_2 计算的欧式偏差是一样的,但我们还是会明显觉得 RGB_1 相比 RGB_3 更接近 RGB_2 ,因为 RGB_3 看上去比 RGB_1 和 RGB_2 更亮一些。
所以,RGB 颜色空间适合于显示系统,却并不适合于图像处理,图像处理强调的更多是 感触。
(二)HSV颜色空间
根据颜色的直观特性创建的一种颜色空间,有 A.R. Smith 在 1978年创建的一种颜色空间,也称 六角椎体模型。
[*]色调 Hue
[*]饱和度 Saturation
[*]明度(亮度)Value
HSV 对用户来说是一种 直观的颜色模型,我们可以从一种纯色彩开始,即指定色彩角H,并让V=S=1,然后我们可以通过向其中加入黑色和白色,来得到我们需要的颜色。
[*]增加黑色可以减小V而S不变
[*]同样增加白色可以减少S而V不变
例如:要得到深蓝色:V=0.4,S=1,H=240度。
此外需要额外注意的是,HSV和HSB代指的是同一种颜色空间算法。
(三)HSL 颜色空间。
HSV 和 HSL 在字面意思上是一样的:
[*]H 指的是色相(Hue),就是颜色名称,例如“红色”、“蓝色”;
[*]S 指的是饱和度(Saturation),即颜色的纯度;
[*]L(Lightness) 和 V(Value)是明度,颜色的明亮程度
在原理和表现上,HSL 和 HSB 中的 H(色相) 完全一致,但二者的 S(饱和度)不一样, L 和 B (明度 )也不一样:
[*]HSV 中的 S 控制纯色中混入白色的量,值越大,白色越少,颜色越纯;
[*]HSV 中的 V 控制纯色中混入黑色的量,值越大,黑色越少,明度越高
[*]HSL 中的 S 和黑白没有关系,饱和度不控制颜色中混入黑白的多寡;
[*]HSL 中的 L 控制纯色中的混入的黑白两种颜色。
(四)PS上的示例
下面是 Photoshop 和 Affinity Designer 的拾色器。
两者分别使用了 HSB 和 HSL 颜色模型。两个拾色器都是 X 轴表示饱和度,越往右,饱和度越高;Y 轴表示明度,越往上明度越高。
先看 Photoshop 的 HSB 颜色模型拾色器,如下图所示,HSB 的 B(明度)控制纯色中混入黑色的量,越往上,值越大,黑色越少,颜色明度越高。
如下图所示,HSB 的 S(饱和度)控制纯色中混入白色的量,越往右,值越大,白色越少,颜色纯度越高。
接下来看 Affinity Designer 的 HSL 颜色模型拾色器。如下图所示,Y 轴明度轴,从下至上,混入的黑色逐渐减少,直到 50% 位置处完全没有黑色,也没有白色,纯度达到最高。继续往上走,纯色混入的白色逐渐增加,到达最高点变为纯白色,明度最高。
(五)RGB、HSV、HSL转换方程式
typedef struct {
NSUInteger r;
NSUInteger g;
NSUInteger b;
CGFloat a;
} RGB;
typedef struct {
NSUInteger h;
CGFloat s;
CGFloat l;
CGFloat a;
} HSL;
typedef struct {
NSUInteger h;
CGFloat s;
CGFloat v;
CGFloat a;
} HSV;
/**
* Converts an RGB color value to HSL. Conversion formula
* adapted from http://en.wikipedia.org/wiki/HSL_color_space.
* Assumes r, g, and b are contained in the set and
* returns h, s, and l in the set .
*
* @param Numberr The red color value
* @param Numberg The green color value
* @param Numberb The blue color value
* @returnArray The HSL representation
*/
HSL RGBToHSL(RGB rgb) {
CGFloat r = rgb.r / 255.0, g = rgb.g / 255.0, b = rgb.b / 255.0;
CGFloat max = MAX(MAX(r, g), b), min = MIN(MIN(r, g), b);
CGFloat h = 0, s = 0, l = (max + min) / 2;
if (max == min) {
h = s = 0; // achromatic
} else {
CGFloat d = max - min;
s = l > 0.5 ? d / (2 - max - min) : d / (max + min);
if (max == r) {
h = (g - b) / d + (g < b ? 6 : 0);
} else if (max == g) {
h = (b - r) / d + 2;
} else {
h = (r - g) / d + 4;
}
h /= 6;
}
return (HSL){ .h = static_cast<NSUInteger>(round(h * 360.0)), .s = s, .l = l, .a = rgb.a };
}
/**
* Converts an HSL color value to RGB. Conversion formula
* adapted from http://en.wikipedia.org/wiki/HSL_color_space.
* Assumes h, s, and l are contained in the set and
* returns r, g, and b in the set .
*
* @param Numberh The hue
* @param Numbers The saturation
* @param Numberl The lightness
* @returnArray The RGB representation
*/
RGB HSLToRGB(HSL hsl) {
CGFloat h = hsl.h / 360.0, s = hsl.s, l = hsl.l;
CGFloat r = 0, g = 0, b = 0;
if (s == 0) {
r = g = b = l; // achromatic
} else {
CGFloat (^hue2rgb)(CGFloat, CGFloat, CGFloat) = ^CGFloat(CGFloat p, CGFloat q, CGFloat t) {
if (t < 0.0)
t += 1;
if (t > 1.0)
t -= 1;
if (t < 1 / 6.0)
return p + (q - p) * 6 * t;
if (t < 1 / 2.0)
return q;
if (t < 2 / 3.0)
return p + (q - p) * (2 / 3.0 - t) * 6;
return p;
};
CGFloat q = l < 0.5 ? l * (1 + s) : l + s - l * s;
CGFloat p = 2 * l - q;
r = hue2rgb(p, q, h + 1 / 3.0);
g = hue2rgb(p, q, h);
b = hue2rgb(p, q, h - 1 / 3.0);
}
NSUInteger red = round(r * 255);
NSUInteger green = round(g * 255);
NSUInteger blue = round(b * 255);
return (RGB){ .r = red, .g = green, .b = blue, .a = hsl.a };
}
/**
* Converts an RGB color value to HSV. Conversion formula
* adapted from http://en.wikipedia.org/wiki/HSV_color_space.
* Assumes r, g, and b are contained in the set and
* returns h, s, and v in the set .
*
* @param Numberr The red color value
* @param Numberg The green color value
* @param Numberb The blue color value
* @returnArray The HSV representation
*/
HSV RGBToHSV(RGB rgb) {
CGFloat r = rgb.r / 255.0, g = rgb.g / 255.0, b = rgb.b / 255.0;
CGFloat max = MAX(MAX(r, g), b), min = MIN(MIN(r, g), b);
CGFloat h = 0, s = 0, v = max;
CGFloat d = max - min;
s = max == 0 ? 0 : d / max;
if (max == min) {
h = 0; // achromatic
} else {
if (max == r) {
h = (g - b) / d + (g < b ? 6 : 0);
} else if (max == g) {
h = (b - r) / d + 2;
} else {
h = (r - g) / d + 4;
}
h /= 6;
}
return (HSV){ .h = static_cast<NSUInteger>(round(h * 360)), .s = s, .v = v, .a = rgb.a };
}
/**
* Converts an HSV color value to RGB. Conversion formula
* adapted from http://en.wikipedia.org/wiki/HSV_color_space.
* Assumes h, s, and v are contained in the set and
* returns r, g, and b in the set .
*
* @param Numberh The hue
* @param Numbers The saturation
* @param Numberv The value
* @returnArray The RGB representation
*/
RGB HSVToRGB(HSV hsv) {
CGFloat r = 0, g = 0, b = 0, h = hsv.h / 360.0, s = hsv.s, v = hsv.v;
NSUInteger i = floor(h * 6);
CGFloat f = h * 6 - i;
CGFloat p = v * (1 - s);
CGFloat q = v * (1 - f * s);
CGFloat t = v * (1 - (1 - f) * s);
switch (i % 6) {
case 0: {
r = v;
g = t;
b = p;
break;
}
case 1: {
r = q;
g = v;
b = p;
break;
}
case 2: {
r = p;
g = v;
b = t;
break;
}
case 3: {
r = p;
g = q;
b = v;
break;
}
case 4: {
r = t;
g = p;
b = v;
break;
}
case 5: {
r = v;
g = p;
b = q;
break;
}
}
NSUInteger red = round(r * 255);
NSUInteger green = round(g * 255);
NSUInteger blue = round(b * 255);
return (RGB){ .r = red, .g = green, .b = blue, .a = hsv.a };
}
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