颜色模型介绍

颜色模型介绍

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_49842530/article/details/145357439

在计算机中，颜色的处理主要通过不同的颜色模型来实现。这些颜色模型通过数学方法描述颜色的特征，以便在显示设备（如显示器、打印机）或软件中准确地表示和处理颜色。常见的颜色分类标准包括RGB、CMYK、HSV、LAB、HEX等。RGB和CMYK是最常见的颜色空间，分别用于显示器和打印机；HSV和LAB则提供了一种更接近人类视觉感知的颜色表示方式；HEX通过一个六位的十六进制数表示，适合网页设计。

RGB（Red-Green-Blue）

RGB是计算机最常用的颜色模型，可以表示的颜色总数为 256 × 256 × 256 = 16,777,216 种颜色，这被称为24位颜色或真彩色

原理：基于光的三原色原理，通过红、绿、蓝三种颜色光的混合来产生各种颜色。每种颜色光的强度可以用一个数值表示，范围通常是 0 到 255（8位，即256级灰度）

表示方法：颜色用三个分量表示，例如 (R, G, B)。例如，(255, 0, 0) 表示纯红色，(0, 255, 0) 表示纯绿色，(0, 0, 0) 表示黑色，(255, 255, 255) 表示白色

应用：主要用于电子显示设备，如显示器、电视、手机屏幕等，因为这些设备的像素点由红、绿、蓝三个子像素组成（LED屏幕或LCD液晶屏幕，原理一样，均是三原色RGB）

CMYK（Cyan-Magenta-Yellow-Black）

CMYK 是一种用于彩色印刷的颜色模型，通过青（C）、品（M）、黄（Y）三原色油墨的不同网点面积率的叠印来表现丰富多彩的颜色和阶调。

原理：基于减色原理，通过吸收特定波长的光来呈现颜色。青色（Cyan）、品红（Magenta）、黄色（Yellow）是三种基本墨水颜色，黑色（Black）用于增强对比度和细节。

为什么使用CMY三种颜色？而不是RGB三种颜色？
当红绿蓝三原色被混合时，会产生白色；但是当蓝绿色、紫红色和黄色三原色混合时会产生黑色。
红色颜料会吸收绿色和蓝色的光线并反射红色的光线，蓝绿色会吸收红色光线并反射蓝色和绿色的光线，同理类其他4中颜色。
在印刷过程中，颜料的混合遵循减色原理，通过不同的颜料吸收不同的光线，调配出所需的颜色，所以应该使用CMK三原色。
要注意的是，CMY无法调配出白色，因为白色需要反射所有光线，而CMY颜色会吸收固定颜色光线，所以无法调配出白色。

表示方法：颜色用四个分量表示，例如 (C, M, Y, K)，每个分量的值通常在 0 到 100% 之间。例如，(0%, 0%, 0%, 100%) 表示纯黑色，(100%, 0%, 0%, 0%) 表示纯青色。

应用：主要用于印刷行业，如彩色印刷、喷墨打印机等。打印时，首先将计算机中RGB模型图像转化为CMYK模型（转换过程中可能会出现颜色偏差），准确控制墨水的使用，通过3原色油墨的不同网点面积率的叠印，实现彩色打印。

RGB与CMYK色域的对比
RGB色域：由于其加色原理和发光特性，RGB色域能够覆盖非常鲜艳的亮色和高对比度的颜色，色域范围更广。
CMYK色域：由于减色原理和物理限制，CMYK色域相对较窄，难以实现高饱和度的亮色，主要覆盖中低饱和度的颜色。原因是颜料的混合会导致吸收光线的变化，会导致无法实现亮度颜色饱和度。

HSV（Hue-Saturation-Value）

HSV 是一种基于人类视觉感知的颜色模型，更符合人类对颜色的理解,便于调整颜色的明暗和饱和度，可通过公式和RGB模型进行转换

原理：

• 色相（Hue）：颜色的种类，如红、黄、绿等，用角度表示（0°到360°），对应于色轮上的位置。
• 饱和度（Saturation）：颜色的纯度，范围从 0 到 1。饱和度为 0 时，颜色为灰色；饱和度为 1 时，颜色最鲜艳。
• 明度（Value）：颜色的亮度，范围从 0 到 1。明度为 0 时，颜色为黑色；明度为 1 时，颜色最亮。

表示方法：颜色用三个分量表示，例如 (H, S, V)。例如，(0°, 1, 1) 表示纯红色，(120°, 1, 1) 表示纯绿色。具体在程序中的体现，H的范围位 0 ~ 360 或 归一化到 0 ~ 1 范围。

应用：广泛用于图像处理、图形设计和颜色选择工具，因为这种模型更直观地描述了颜色的视觉特性。

HSV颜色模型和RGB颜色模型转换

HSV ——(H,S,V)——0360 0 ~1 0 ~1
RGB ——(R,G,B)——0255 0 ~255 0 ~255

HSV转RGB

1. 归一化色调值
   如果色调值H的范围是0 ~ 360，则将其归一化到0 ~ 1：
   H ′ = H 360 H'=\frac{H}{360}H′=360H

2. 如果S = 0 S = 0S=0，则有R = G = B = V R=G=B=VR=G=B=V；否则进行接下来的步骤

3. 计算参数
   i = f l o o r ( H 60 ) f = H 60 − i p = V ( 1 − S ) q = V ( 1 − f S ) t = V ( 1 − ( 1 − f ) S ) i=floor(\frac{H}{60}) \qquad f = \frac{H}{60}-i \ p = V(1-S) \qquad q = V(1-fS) \qquad t = V(1-(1-f)S)i=floor(60H )f=60H −ip=V(1−S)q=V(1−fS)t=V(1−(1−f)S)进行判断
   { if i = 0 R = V , G = t , B = p if i = 1 R = q , G = V , B = p if i = 2 R = p , G = V , B = t if i = 3 R = p , G = q , B = V if i = 4 R = t , G = p , B = V if i = 5 R = V , G = p , B = q \begin{cases} \text{if} \quad i = 0 \qquad & R = V, \quad G = t, \quad B = p \ \text{if} \quad i = 1 \qquad & R = q, \quad G = V, \quad B = p \ \text{if} \quad i = 2 \qquad & R = p, \quad G = V, \quad B = t \ \text{if} \quad i = 3 \qquad & R = p, \quad G = q, \quad B = V \ \text{if} \quad i = 4 \qquad & R = t, \quad G = p, \quad B = V \ \text{if} \quad i = 5 \qquad & R = V, \quad G = p, \quad B = q \end{cases}⎩⎨⎧ ifi=0ifi=1ifi=2ifi=3ifi=4ifi=5 R=V,G=t,B=pR=q,G=V,B=pR=p,G=V,B=tR=p,G=q,B=VR=t,G=p,B=VR=V,G=p,B=q

4. 反归一化
   R = R ∗ 255 G = G ∗ 255 B = B ∗ 255 R = R255 \ G = G255 \ B = B*255R=R∗255G=G∗255B=B∗255

RGB转HSV

1. 归一化RGB值
   将RGB值从0,255范围归一化到0,1范围：
   R ′ = R 255 G ′ = G 255 B ′ = B 255 R^′=\frac{R}{255} \qquad G^′=\frac{G}{255} \qquad B^′=\frac{B}{255} R′=255R G′=255G B′=255B

2. 计算最大值和最小值
   M A X = max ⁡ ( R ′ , G ′ , B ′ ) M I N = min ⁡ ( R ′ , G ′ , B ′ ) MAX=\max(R^′,G^′,B^′)\ MIN =\min(R^′,G^′,B^′)MAX=max(R′,G′,B′)MIN =min(R′,G′,B′)

3. 计算亮度（Value）
   亮度（V）是最大值：
   V = M A X V = MAX V=MAX

4. 计算饱和度（Saturation）
   饱和度（S）表示颜色的纯度，计算公式为：
   S = { 0 if M A X = 0 M A X − M I N M A X otherwise S=\begin{cases} 0\qquad\qquad\quad & \text{if} \quad MAX=0 \ \frac{MAX-MIN}{MAX} & \text{otherwise} \end{cases}S={0MAXMAX−MIN ifMAX=0otherwise

5. 计算色调（Hue）
   色调（H）表示颜色的种类，计算公式为：
   H = { u n d i f i n e d        if M A X = M I N 6 0 ∘ × G ′ − B ′ M A X − M I N    +    0 ∘ if M A X = R ′ 6 0 ∘ × B ′ − R ′ M A X − M I N    +    12 0 ∘ if M A X = G ′ 6 0 ∘ × R ′ − G ′ M A X − M I N    +    24 0 ∘ if M A X = B ′ H = \begin{cases} undifined \qquad \qquad \qquad\qquad;;;\ &\text{if} \quad MAX=MIN \ 60^\circ \times \frac{G'-B'}{MAX-MIN} ; + ; 0^\circ & \text{if}\quad MAX = R' \ 60^\circ \times \frac{B'-R'}{MAX-MIN} ; + ; 120^\circ & \text{if}\quad MAX = G' \ 60^\circ \times \frac{R'-G'}{MAX-MIN} ; + ; 240^\circ & \text{if}\quad MAX = B' \ \end{cases}H=⎩⎨⎧ undifined 60∘×MAX−MING′−B′ +0∘60∘×MAX−MINB′−R′ +120∘60∘×MAX−MINR′−G′ +240∘ ifMAX=MINifMAX=R′ifMAX=G′ifMAX=B′

如果计算结果为负值，则加上360°，使其范围在0,360之间。如果M A X = M I N MAX=MINMAX=MIN，说明RGB三色比例相同，会形成“黑 ~ 灰 ~ 白”颜色，在HSV中当S = 0 S = 0S=0时才能表示“黑 ~ 灰 ~ 白”，而H不行。

RGB到HSV的MATLAB代码

% 转换为HSV图像
hsvImage = rgb2hsv(rgbImage);
% 转换为RGB图像
rgbImage = hsv2rgb(hsvImage);

参考：HSV-RGB转换

HSL（Hue-Saturation-Lightness）颜色模型

HSL 是另一种基于人类视觉的颜色模型，与 HSV 类似，但在某些方面有所不同

原理：

• 色相（Hue）：与 HSV 中的色相相同，用角度表示（0°到360°）。
• 饱和度（Saturation）：表示颜色的鲜艳程度，范围从 0 到 1。
• 明度（Lightness）：表示颜色的明亮程度，范围从 0 到 1。与 HSV 的明度不同，HSL 的明度更接近于颜色的中间值（灰色）。

表示方法：颜色用三个分量表示，例如 (H, S, L)

应用：常用于图形设计和网页设计，因为 HSL 模型在调整颜色时更符合人类的视觉感知。

灰度（Grayscale）模型

灰度模型是一种特殊的颜色模型，只表示颜色的明暗程度

原理：通过一个单一的数值表示颜色的亮度，范围通常是 0 到 255（8位），其中 0 表示黑色，255 表示白色。

表示方法：颜色用一个分量表示，例如 (Gray)。例如，(0) 表示黑色，(255) 表示白色，(128) 表示中性灰色。

应用：用于黑白图像、文档扫描、医学成像等领域。

LAB（CIE Lab*）颜色模型

LAB 是一种基于人类视觉感知的色彩模型，用于精确描述颜色

原理：

• L：表示亮度，范围从 0（黑色）到 100（白色）
• a 和 b：表示颜色的两个轴，分别表示从绿色到红色（a轴）和从蓝色到黄色（b轴）

表示方法：颜色用三个分量表示，例如 (L, a, b)

应用：用于颜色管理、图像编辑和颜色校准，因为它能够更准确地描述颜色的视觉差异

优点：与人类视觉感知一致，能够更准确地表示颜色的差异。
缺点：计算复杂，与 RGB 和 CMYK 模型的转换较为困难。

HEX（Hexadecimal Color Space） 颜色模型

HEX 是一种基于 RGB 模型的编码方式，能与 RGB 模型直接对应，主要用于网页设计

原理：将 RGB 模型中的每个分量用十六进制表示，范围从 00 到 FF。

表示方法：颜色用一个六位的十六进制数表示，例如#RRGGBB。例如，#FF0000 表示纯红色，#000000 表示黑色，#FFFFFF 表示白色。
#RRGGBB = （RR, GG, BB)

应用：主要用于 HTML 和 CSS 中的颜色表示。