关于HSV模型的探讨

本篇为随手笔记,内容比较干硬。

最近和朋友讨论过HSV(或HSB)颜色模型,发现一个很有趣的问题:对HSV色彩空间,居然存在两种几何定义。

所谓HSV,即一种定义颜色的模型,H代表色相,S代表饱和度,V代表光量/纯度(HSB中,B代表明度,意思是一样的)。在Photoshop等图片编辑软件中,HSV可以用于查找特定的颜色,比如HSV(0,100,100)即代表了大红色。

了解了基础概念,我们先来看这张图:

hsv color mode - essay, design, sharing - 关于HSV模型的探讨

这两张图都用于描述HSV颜色模型,而不同在于第一张图整体色彩空间是圆柱,第二张图则是圆锥。尽管几何可以无限细分,因此在颜色量的表现上两个模型是一样的,但在解释颜色理论的时候则有重大区别

常规HSV模型

HSV - essay, design, sharing - 关于HSV模型的探讨

个人之所以将圆锥称为常规HSV模型,是因为这个模型是我学习HSV颜色模型时接受的。那么,HSV三个数值在这个模型下代表什么含义呢?

  • H代表色相,指的是光带有的颜色。把RGB三种颜色均匀放在一个圆环上,然后相互融合就得到了色环,以红色为0°,蓝色和绿色的中部为180°,整个为一个圆或者一个环(图中倒圆锥的顶部)。因此,H取值在0到360°之间。
  • S代表饱和度,可以理解为光的纯度。光纯度为100%,那么光会完全表现为色相H决定的颜色。相对的,如果S为0,那么光会呈现由白到黑的任意一种灰度,灰度由V决定。在图中,接近圆锥轴线的V为0,而圆盘横截面的圆周为100%。
  • V代表光量,即光的强弱。V为0,则光必定为黑,而V为100%,光则为原有的颜色,由H和S决定。图中,倒圆锥下方的顶点所在的水平面对应的V为0,而上方的色环圆所在的水平面V为100%。

在这个模型下,查找颜色的方式为:

  • 确定色相H,从顶部圆心出发沿着H的角度做射线,沿着射线做垂直切面,所查颜色在垂直切面对圆锥的截面上。
  • 确定光量V,以原本圆锥的轴心底端为0,顶端为100%,根据V的百分比确定一点,沿着这个点在刚才的截面上做水平线,所查颜色在水平线和截面相交的线段上。
  • 确定饱和度S,以线段和圆锥轴线相交的端点为0,另一端为100%,根据S的百分比确定一点,本点即所查颜色。

圆柱HSV模型

HSV color solid cylinder - essay, design, sharing - 关于HSV模型的探讨

而圆柱HSV模型。其中HSV的意义和上述圆锥模型的完全相同,颜色的查找方式也是完全一致的。但区别就在于它是圆柱而不是圆锥。那么,两个模型在定义上的差别究竟在哪里呢?

实际,只要将圆柱HSV模型的底端挤压到一个点,那么两个模型就一致了。因此实际的区别就在于底端是一个圆还是一个点。

底端的情况

在讨论这个问题之前,我们必须说明颜色模型的特性。颜色模型上所有的点,其颜色应该是唯一的,即每种颜色对应一个点,同时每个点也仅对应一种颜色。这种特性我们称为唯一性,颜色模型有必要满足唯一性,因为在处理图片的时候,我们会需要颜色是反向可查的,即可以根据数值找到唯一的颜色,也可以根据颜色找到唯一的数值。

(当然,并非所有颜色模型都具有唯一性,比如常用的印刷颜色模型CMYK,在理论上是没有唯一性的;但CMYK是基于实践的定义方式,因为油墨拥有100%纯度的颜色是不可能的;而在色彩科学上的原型是CMY颜色模型,是具有唯一性的。)

如果底端为圆,意味着V为0的情况下,存在多种颜色,即 HSV(0,100,0) 和 HSV(0,50,0) 和 HSV(50,100,0) 被视为不同的颜色。而相应的,如果底端为点,则上述的三个颜色被视为是相同的。在数学上,这样的三个数值明显不相同,因此可以说在数学上,圆柱HSV模型具有唯一性

HSV模型是基于RGB色彩空间定义的,描述的是光发生(而不是光反射)。根据V的定义,在V为0的情况下,光的量为0,即完全没有光,在这种情况下色相H和饱和度S是没有意义的。试想一下,如果手电筒没有电,那么它的灯泡本来会发什么颜色的光,对手电筒的表现并没有任何影响。所以,在实践上,圆锥HSV模型具有唯一性

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卡米雷特

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