RGB、YUV、HSV和HSL區別和關聯

近期在做的一個需求和顏色轉換有關係，所以本篇將開發過程中比較常見的 四種顏色 進行一番梳理。

一、RGB顏色空間

從我們最常見的RGB顏色出發，RGB分別對應著 Red（紅）、Green（綠）、Blue（藍），也就是我們平時所說的三原色，調整這三種顏色的比例，可以搭配出所有的色彩。

這時你可能就要問了，YUV、HSV、HSL也能描述所有色彩啊，為啥RGB是最常用的捏？

這就要回歸到現實了，現實裡顯示器顯像時，每一個畫素點後面對應著 3個發光二極體，這3個二極體可以分別發出 紅、綠、藍 三種顏色，因此絕大部分人所能接觸的顏色只與RGB有關係。

RGB（紅綠藍）是依據人眼識別的顏色定義出的空間，可表示大部分顏色。但在科學研究一般不採用RGB顏色空間，因為它的細節難以進行數字化的調整。它將色調，亮度，飽和度三個量放在一起表示，很難分開。它是最通用的面向硬體

二、YUV顏色空間

YUV 多出現在音視訊合成領域，音視訊合成領域要求在表達同樣內容時，爭取佔用更少的空間。同個視訊，YUV空間要比RGB空間描繪省下來一半的空間消耗（YUV4:2:0）。

YUV（也稱：YCbCr）：Y表示明亮度，UV的作用是描述影像色彩及飽和度。

主要的取樣格式有 YUV4:2:0（最常用）、YUV4:2:2 和 YUV4:4:4 ，也就是說 RGB 主要用於螢幕影象的展示，而 YUV 多用於採集與編碼。

YUV 和 RGB 相互轉換的公式為：

三、HSV（HSB） 和 HSL

可以發現 RGB 主要為硬體顯示器服務，YUV 主要為音視訊編解碼服務，這麼說下來和色彩最親密的 設計師 該用哪種顏色呢？

他們也有自己行業特別關注的顏色，主要使用 HSV 和 HSL。

（一）為什麼RGB不適用於影象處理

人眼對於RGB這三種顏色分量的敏感程度是不一樣的，在單色中，人眼對紅色最不敏感，藍色最敏感，所以 RGB 顏色空間是一種均勻性較差的顏色空間。如果顏色的相似性直接用歐氏距離來度量，其結果與人眼視覺會有較大的偏差。對於某一種顏色，我們很難推測出較為精確的三個分量數值來表示。

簡單來說，如果計算不同顏色之間的對比度，如果使用 RGB 來計算：

(R1-R2)^2 + (G1-G2)^2 + (B1-B2)^2

即使兩組顏色數值相同，人的感觸還是不一樣的，比如這裡我選三個顏色：

• RGB_1：110,0,110
• RGB_2：60,0,100
• RGB_3：160,0,110

可以看到儘管 RGB_1 和 RGB_3 距離 RGB_2 計算的歐式偏差是一樣的，但我們還是會明顯覺得 RGB_1 相比 RGB_3 更接近 RGB_2 ，因為 RGB_3 看上去比 RGB_1 和 RGB_2 更亮一些。

所以，RGB 顏色空間適合於顯示系統，卻並不適合於影象處理，影象處理強調的更多是 感觸。

（二）HSV顏色空間

根據顏色的直觀特性建立的一種顏色空間，有 A.R. Smith 在 1978年建立的一種顏色空間，也稱 六角椎體模型。

• 色調 Hue
• 飽和度 Saturation
• 明度（亮度）Value

HSV 對使用者來說是一種 直觀的顏色模型，我們可以從一種純色彩開始，即指定色彩角H，並讓V=S=1，然後我們可以通過向其中加入黑色和白色，來得到我們需要的顏色。

• 增加黑色可以減小V而S不變
• 同樣增加白色可以減少S而V不變

例如：要得到深藍色：V=0.4，S=1，H=240度。

此外需要額外注意的是，HSV和HSB代指的是同一種顏色空間演算法。

（三）HSL 顏色空間。

HSV 和 HSL 在字面意思上是一樣的：

• H 指的是色相（Hue），就是顏色名稱，例如“紅色”、“藍色”；
• S 指的是飽和度（Saturation），即顏色的純度；
• L（Lightness） 和 V（Value）是明度，顏色的明亮程度

在原理和表現上，HSL 和 HSB 中的 H（色相） 完全一致，但二者的 S（飽和度）不一樣， L 和 B （明度 ）也不一樣：

• HSV 中的 S 控制純色中混入白色的量，值越大，白色越少，顏色越純；
• HSV 中的 V 控制純色中混入黑色的量，值越大，黑色越少，明度越高
• HSL 中的 S 和黑白沒有關係，飽和度不控制顏色中混入黑白的多寡；
• HSL 中的 L 控制純色中的混入的黑白兩種顏色。

（四）PS上的示例

下面是 Photoshop 和 Affinity Designer 的拾色器。

兩者分別使用了 HSB 和 HSL 顏色模型。兩個拾色器都是 X 軸表示飽和度，越往右，飽和度越高；Y 軸表示明度，越往上明度越高。

先看 Photoshop 的 HSB 顏色模型拾色器，如下圖所示，HSB 的 B（明度）控制純色中混入黑色的量，越往上，值越大，黑色越少，顏色明度越高。

如下圖所示，HSB 的 S（飽和度）控制純色中混入白色的量，越往右，值越大，白色越少，顏色純度越高。

接下來看 Affinity Designer 的 HSL 顏色模型拾色器。如下圖所示，Y 軸明度軸，從下至上，混入的黑色逐漸減少，直到 50% 位置處完全沒有黑色，也沒有白色，純度達到最高。繼續往上走，純色混入的白色逐漸增加，到達最高點變為純白色，明度最高。

（五）RGB、HSV、HSL轉換方程式

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 [0, 255] and
 * returns h, s, and l in the set [0, 1].
 *
 * @param   Number  r       The red color value
 * @param   Number  g       The green color value
 * @param   Number  b       The blue color value
 * @return  Array           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 [0, 1] and
 * returns r, g, and b in the set [0, 255].
 *
 * @param   Number  h       The hue
 * @param   Number  s       The saturation
 * @param   Number  l       The lightness
 * @return  Array           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 [0, 255] and
 * returns h, s, and v in the set [0, 1].
 *
 * @param   Number  r       The red color value
 * @param   Number  g       The green color value
 * @param   Number  b       The blue color value
 * @return  Array           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 [0, 1] and
 * returns r, g, and b in the set [0, 255].
 *
 * @param   Number  h       The hue
 * @param   Number  s       The saturation
 * @param   Number  v       The value
 * @return  Array           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 };
}

文章首發：問我社群

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