HSV(HSL)颜色空间及其应用

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【摘要】

本文首先阐述HSV 和 HSL颜色模式的基本特性，然后介绍RGB和HSV / HSL颜色空间互相转换的算法，并给出算法核心代码和效果图，最后将HSV颜色空间应用到图像增强，得到几个增强之后的效果图。

【参考资料】 

1. 颜色空间RGB与HSV(HSL)的转换

2. 维基百科：HSL和HSV色彩空间

3. HSV颜色空间

1. HSV和HSL颜色空间简介

    HSV（也叫做 HSB）和 HSL 是对RGB 色彩空间中点的两种有关系的表示，它们尝试描述比 RGB 更准确的感知颜色联系，并仍保持在计算上简单。HSL 表示 hue（色相）、saturation（饱和度）、lightness（亮度），HSV 表示 hue、saturation、value(色调) 而 HSB 表示 hue、saturation、brightness（明度）。

    HSV和HSL颜色模式特点 ：

    a)  HSV颜色空间的模型对应于圆柱坐标系中的一个圆锥形子集，圆锥的顶面对应于V=1。它包含RGB模型中的 R=1，G=1，B=1三个面，所代表的颜色较亮。色彩H由绕V轴的旋转角给定。红色对应于角度0°，绿色对应于角度120°，蓝色对应于角度240°。在HSV颜色模型中，每一种颜色和它的补色相差180°。

    b)  饱和度S取值从0到1，所以圆锥顶面的半径为１。HSV颜色模型所代表的颜色域是CIE色度图的一个子集，这个模型中饱和度为百分之百的颜色，其纯度一般小于百分之百。

    c)  在圆锥的顶点(即原点)处，V=0,H和S无定义，代表黑色。圆锥的顶面中心处 S=0，V=1,H无定义，代表白色。从该点到原点代表亮度渐暗的灰色，即具有不同灰度的灰色。对于这些点，S=0,H的值无定义。可以说，HSV模型中的V轴对应于RGB颜色空间中的主对角线。在圆锥顶面的圆周上的颜色，V=1，S=1,这种颜色是纯色。

    HSV 颜色空间可以用一个圆锥空间模型来描述 。

     

  2.  RGB 到 HSL 或 HSV 的转换

       设 (r, g, b) 分别是一个颜色的红、绿和蓝坐标，它们的值是在 0 到 1 之间的实数。设 max 等价于 r, g 和 b 中的最大者。设 min 等于这些值中的最小者。要找到在 HSL 空间中的 (h, s, l) 值，这里的 h ∈ [0, 360）是角度的色相角，而 s, l ∈ [0,1] 是饱和度和亮度，计算为：

 h 的值通常规范化到位于 0 到 360°之间。而 h = 0 用于 max = min 的（就是灰色）时候而不是留下 h 未定义。

 HSL 和 HSV 有同样的色相定义，但是其他分量不同。HSV 颜色的 s 和 v 的值定义如下：

3. HSL 到 RGB 的转换

     给定 HSL 空间中的 (h, s, l) 值定义的一个颜色，带有 h 在指示色相角度的值域 [0, 360）中，分别表示饱和度和亮度的s 和 l 在值域 [0, 1] 中，相应在 RGB 空间中的 (r, g, b) 三原色，带有分别对应于红色、绿色和蓝色的 r, g 和 b 也在值域 [0, 1] 中，它们可计算为：

       如果 s = 0，则此时颜色是非彩色的、或灰色的。在这种情况下，r, g 和 b 都等于 l。注意 此时h 的值是未定义的。

       如果 s ≠ 0 ，则可以使用下列过程：

4.  HSV 到 RGB 的转换

     类似的，给定在 HSV 中 (h, s, v) 值定义的一个颜色，带有如上的 h，和分别表示饱和度和明度的 s 和 v 变化于 0 到 1 之间，在 RGB 空间中对应的 (r, g, b) 三原色可以计算为：

    

对于每个颜色向量 (r, g, b),

 

5. HSL和HSV比较

    HSL类似于HSV。对于一些人，HSL更好的反映了“饱和度”和“亮度”作为两个独立参数的直觉观念，但是对于另一些人，它的饱和度定义是错误的，因为非常柔和的几乎白色的颜色在HSL可以被定义为是完全饱和的。对于HSV还是HSL更适合于人类用户界面是有争议的。

    W3C的CSS3规定声称“HSL的优点是它对称于亮与暗（HSV就不是这样）…”，这意味着：

    a)  在HSL中，饱和度分量总是从完全饱和色变化到等价的灰色（在HSV中，在极大值V的时候，饱和度从全饱和色变化到白色，这可以被认为是反直觉的）。

    b)  在HSL中，亮度跨越从黑色过选择的色相到白色的完整范围（在HSV中，V分量只走一半行程，从黑到选择的色相）。

 

 

6.  RGB与HSV互转代码

     此处我们用C语言实现RGB与HSV之间的互相转换并给出效果图。

7. HSV颜色空间小应用

     将RGB转换到HSV空间，通过V变量可以调整图像的亮度和对比度，以下是几个效果图：

         

                                                 

                                             （原始图片）                                                                （亮度V + 0.1） 

                                                

                                           （亮度V - 0.1）                                                                    （对比度1.2）  

  

                                               

                                              （对比度1.5）                                                          （对比度1.5 + V0.2）