色彩空间（颜色模型）

发表于 2020-04-12 分类于笔记

前言

“色彩空间”一词源于西方的“Color Space”，又称作“色域”，色彩学中，人们建立了多种色彩模型，以一维、二维、三维甚至四维空间坐标来表示某一色彩，这种坐标系统所能定义的色彩范围即色彩空间。

简言之，色彩空间就是用来描述颜色的的坐标空间。而在GLSL里面，片元着色器最终接受的颜色属于RGBA模型。

常用的颜色模型

RGB(A)颜色模型

该模型的原理是光学三原色（红、绿、蓝）进行不同比例的混合可以得到其他任何颜色。

R：代表红色分量；
G：代表绿色分量；
B：代表蓝色分量；
A：代表透明通道分量；

很明显，RGB色彩空间为一个立方体。该立方体内的每一个点都是不同的颜色值，而GLSL中每一个分量的取值范围为 $[0,\ 1]$ 。而一般常用的RGB为24位，即每个分量取值为8位，也就是 $2^8 = 256$ 种取值（ $[0,\ 255]$ ），最后能够得到 $2^{24}$ 个颜色值。

HSB颜色模型

HSB（也称HSV）颜色模型，是一种更符合直觉、更易于调色的颜色模型；

H（Hue）：指色相，即单纯的颜色；取值范围为 $[0,\ 360\degree]$ 。
S（Saturation）：指饱和度，饱和度越高则颜色越纯；取值范围为 $[0,\ 100\%]$ 。
B（Brightness）：指明度，又称为值（Value）；取值范围为 $[0,\ 100\%]$ 。

HSB色彩空间为一个圆柱体：

HSB色彩空间坐标实际上是一个极坐标系；H分量为角度，S分量为弧长，B分量则是垂直于H-S极坐标系。

HSB转RGB

\begin{aligned} h_i &= \lfloor \frac{h}{60} \rfloor \ mod\ 6 \\ f &= \frac{h}{60} - h_i \\ p &= v * (1 - s) \\ q &= v * (1 - f * s) \\ t &= v * (1 - (1 - f) * s) \\ (r, g, b) &= \begin{cases} (v, t, p),\ \text{if }h_i = 0 \\ (q, v, p),\ \text{if }h_i = 1 \\ (p, v, t),\ \text{if }h_i = 2 \\ (p, q, v),\ \text{if }h_i = 3 \\ (t, p, v),\ \text{if }h_i = 4 \\ (v, p, q),\ \text{if }h_i = 5 \\ \end{cases} \end{aligned}

一个HSB转RGB的GLSL实现：

//  Function from Iñigo Quiles
//  https://www.shadertoy.com/view/MsS3Wc
vec3 hsb2rgb( in vec3 c ){
    vec3 rgb = clamp(abs(mod(c.x*6.0+vec3(0.0,4.0,2.0),
                             6.0)-3.0)-1.0,
                     0.0,
                     1.0 );
    rgb = rgb*rgb*(3.0-2.0*rgb);
    return c.z * mix(vec3(1.0), rgb, c.y);
}

RGB转HSB

\begin{aligned} h &= \begin{cases} 0\degree,&\ \text{if } max = min \\ 60\degree * \frac{g - b}{max - min},&\ \text{if } max = r\text{ and } g \ge b \\ 60\degree * \frac{g - b}{max - min} + 360\degree,&\ \text{if } max = r\text{ and } g < b \\ 60\degree * \frac{b - r}{max - min} + 120\degree,&\ \text{if } max = g \\ 60\degree * \frac{r - g}{max - min} + 240\degree,&\ \text{if } max = b \end{cases} \\ s &= \begin{cases} 0,&\ \text{if } max = 0 \\ \frac{max - min}{max} = 1 - \frac{min}{max},&\ \text{otherwise} \end{cases} \\ v &= max \\ \text{Notes:} \\ min &= min(r, g, b) \\ max &= max(r, g, b) \end{aligned}

前言

常用的颜色模型

RGB(A)颜色模型

HSB颜色模型

HSB转RGB

RGB转HSB

参考文档