色彩模型(CIE&RGB&CMY&HSV&HLS)

作者：追风剑情发布于：2017-7-29 13:15 分类：计算机图形学

具有真实感的计算机图形，是一幅颜色逼真的画面。人们看到颜色的过程，是外部世界在人的眼脑视觉系统中引起的反应。颜色既是一种心理生理现象，也是一种心理物理现象。在心理生物学上，颜色由色彩(Hue)、色饱和度(Saturation)和明度(Brightness)决定。色彩即颜色的“色彩”，它是某种颜色据以定义的名称。色饱和度是单色光中掺入白光的度量。单色光的色饱和度为100%，白光加入后，其色饱和度下降。非彩色光的色饱和度为0。明度为非彩色光的光强值。在心理物理学上，与彩色、色饱和度和明度相对应的是主波长、色纯度和亮度。光是波长为400~700nm电磁波，这些电磁波被我们的视觉系统感知为紫、青、蓝、绿、黄、橙、红等颜色。我们可以用主波长、纯度和亮度三元组来描述任何光谱分布视觉效果。

CIE色彩模型

人类对颜色的感知是以三刺激理论为基础。三刺激理论假设人类眼睛的视网膜中有3种锥状视觉细胞，分别对红、绿、蓝3种光最敏感。因此人们把这3种颜色定义为三基色。1931年，国际照明委员会(简称CIE)规定了3种基色(X, Y, Z)，适当地混合此三基色即可规定出我们眼睛所能感觉到的所有光感。CIE的色度值x、y、z为

这时，x+y+z=1，颜色的色度值为(x, y, z)，但色度坐标通常指(x, y)，因为z=1-x-y。

通过对所有可见颜色画出x和y，可以画出上图所示的CIE色度图。该马蹄形区域的内部和边界表示所有可见的色度。边界弯曲部分的每一点，都对应在光谱中纯度为百分之百的纯度的色光，图中线上标明的数字为该位置对应色光的主波长。图中央一点C对应于用来近似太阳光的标准白光，它被定义为一种标准光源。

利用CIE色度图，可以把3个CIE原色混合在一起以匹配某一种颜色，从而使人们能够实际测量任何一种颜色的主波长和纯度。对于图b中的某一点M，可以把颜色M看作是C和N点上纯净谱光的一种混合体。这样，N就规定了主波长。MC与NC长度的比值就是M点的纯度Q，即Q=MC/NC。M越靠近C，M含有的光就越多，因而其纯度就越低。如果某点与C的连线交于底边紫色线上，则在可见光谱中找不到此颜色相应的主波长。这时，主波长可用其补色的光谱值附以后缀C表示。这一光谱可以通过反向延伸直线与对测光谱边界线相交而得。如图b中A1的主波长为500nm。

欲得到一种光谱色的补色，只需从这一点通过C点作一条直线，求出其与对侧光谱边界线的交点，即可求得补色的波长。例如，红橙色A1(λ=610nm)的被色为蓝色A2(λ=491nm)。这两种被色按一定比例相加得白色。

RGB和CMY色彩模型

在计算机图形学中有两种重要的原色混合系统：红、绿、蓝(RGB)加色系统和青、品红、黄(CMY)减色系统。

此两种系统中的颜色互为补色，即青色是红色的补色，品红是绿色的补色，黄色是蓝色的补色。所谓某颜色的补色是从白色中减去这种颜色后所得的颜色。

这两种系统适合于不同的情况。在彩色印刷、胶卷等非发光显示体中采用CMY减色系统；对于发光体，常用RGB加色系统。

在RGB系统中，颜色是由3个分量的不同数值组合来决定的。RGB彩色空间可以被表示成一个立方体空间，如下图：

从黑点到白点的连线，是彩色空间中灰色的分布。这个彩色空间表示了显示器中的所有颜色。

RGB与CMY系统的关系可以由下式给出：

HSV颜色六棱锥

RGB和CMY颜色模型是面向硬件的，而HSV(Hue, Saturation, Value)模型是面向用户的，它对应于三维空间中的一个正六面锥体，这个六面锥体的顶面与V=1相对应，包含着具有最大亮度值的各种颜色。色彩H由绕V轴的旋转角给定的，红色对应于角度0，绿色对应于角度120，蓝色对应于角度240。每一种颜色和它的补色相差180，饱和度S取值为0~1。饱和度是以相对于模型所表示的颜色范围来量度的，并非相对于CIE色度图来量度的，因而与纯度不相同。

六面锥体顶点位于原点，V=0时，代表黑色；V=1,S=0的点为白色；S=0而V值为中间值时都是灰色。S=0时，H值是无意义的；当S≠0时，H是有意义的。

HSV模型与画家配色的方式相对应。纯色颜料对应V=1，S=1,添加白色获得的色泽相当于减少S,不同的色深可由减少V值即添加黑色实现。形成不同的色调需同时减少S和V值。

HLS双六棱锥颜色模型

六棱锥模型可以推广为双六棱锥HLS(色彩Hue、亮度Lightness、色饱和度Saturation)模型。HLS模型主要用于描述发光体的颜色。在HLS模型中，RGB颜色立方体投影在平面的两侧形成一双六棱锥，亮度值沿轴线方向逐渐变化，对应黑色的顶点处L=0。另一对白色的顶点处L=1，与单六棱锥的模型一样，任何一个色彩的互补都位于绕该六面锥轴再往前转过180度的位置上。同时，从该竖直轴线开始，可以辐射形地度量饱和度。取值范围从轴线上的0到表面上的1.

HLS与RGB模型之间的转换也可参照HSV与RGB模型之间的转换。

以下示例演示了RGB与HSV颜色之间的转换

参考 https://baike.baidu.com/item/HSV/547122?fr=aladdin&fromid=12630604&fromtitle=HSV%E9%A2%9C%E8%89%B2%E7%A9%BA%E9%97%B4

示例: C#

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;

namespace HSVTest
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            RGB rgb = new RGB(0.7f, 0.3f, 0.9f);
            Console.WriteLine("输入测试数据: "+rgb.ToString());

            HSV hsv = RGB2HSV(rgb);
            Console.WriteLine("RGB->HSV: "+hsv.ToString());

            rgb = HSV2RGB(hsv);
            Console.WriteLine("HSV->RGB: " + rgb.ToString());

            Console.Read();
        }

        public static HSV RGB2HSV(RGB rgb)
        {
            float R = rgb.r;
            float G = rgb.g;
            float B = rgb.b;

            float max = Math.Max(Math.Max(R, G), B);
            float min = Math.Min(Math.Min(R, G), B);
            float V = max;
            float S = (max - min) / max;
            float H = 0;

            if (R == max) H =(G-B)/(max-min)*60;
            if (G == max) H = 120+(B-R)/(max-min)*60;
            if (B == max) H = 240 +(R-G)/(max-min)*60;
            if (H < 0) H = H + 360;

            HSV hsv = new HSV(H, S, V);
            return hsv;
        }

        public static RGB HSV2RGB(HSV hsv)
        {
            float H = hsv.h;
            float S = hsv.s;
            float V = hsv.v;

            float R=0, G=0, B=0;
            if (S == 0){
                R = G = B = V;
                //返回灰度
                return new RGB(R,G,B);
            }

            if (H % 360 == 0)
                H = 0;
            H /= 60;

            int i = (int)H;
            float f = H - i;
            float M = V * (1 - S);
            float N = V * (1 - S * f);
            float K = V * (1 - S * (1 - f));

            switch (i)
            {
                case 0: R = V; G = K; B = M; break;
                case 1: R = N; G = V; B = M; break;
                case 2: R = M; G = V; B = K; break;
                case 3: R = M; G = N; B = V; break;
                case 4: R = K; G = M; B = V; break;
                case 5: R = V; G = M; B = N; break;
            }

            return new RGB(R, G, B);
        }
    }

    public struct RGB
    {
        public float r;
        public float g;
        public float b;

        public RGB(float r, float g, float b)
        {
            this.r = r;
            this.g = g;
            this.b = b;
        }

        public string ToString()
        {
            return string.Format("RGB({0}, {1}, {2})", r, g, b);
        }
    }

    public struct HSV
    {
        public float h;
        public float s;
        public float v;


        public HSV(float h, float s, float v)
        {
            this.h = h;
            this.s = s;
            this.v = v;
        }

        public string ToString()
        {
            return string.Format("HSV({0}, {1}, {2})", h, s, v);
        }
    }
}

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