iOS|RGB、YUV、HSV和HSL区别和关联 iOS|移动客户端

RGB、YUV、HSV和HSL区别和关联近期在做的一个需求和颜色转换有关系，所以本篇将开发过程中比较常见的四种颜色进行一番梳理。
一、RGB颜色空间从我们最常见的RGB颜色出发，RGB分别对应着 Red（红）、Green（绿）、Blue（蓝），也就是我们平时所说的三原色，调整这三种颜色的比例，可以搭配出所有的色彩。
这时你可能就要问了，YUV、HSV、HSL也能描述所有色彩啊，为啥RGB是最常用的捏？

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这就要回归到现实了，现实里显示器显像时，每一个像素点后面对应着 3个发光二极管，这3个二极管可以分别发出红、绿、蓝三种颜色，因此绝大部分人所能接触的颜色只与RGB有关系。

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RGB（红绿蓝）是依据人眼识别的颜色定义出的空间，可表示大部分颜色。但在科学研究一般不采用RGB颜色空间，因为它的细节难以进行数字化的调整。它将色调，亮度，饱和度三个量放在一起表示，很难分开。它是最通用的面向硬件的彩色模型。该模型用于彩色监视器和一大类彩色视频摄像。
二、YUV颜色空间 YUV 多出现在音视频合成领域，音视频合成领域要求在表达同样内容时，争取占用更少的空间。同个视频，YUV空间要比RGB空间描绘省下来一半的空间消耗（YUV4:2:0）。
YUV（也称：YCbCr）：Y表示明亮度，UV的作用是描述影像色彩及饱和度。
主要的采样格式有 YUV4:2:0（最常用）、YUV4:2:2 和 YUV4:4:4 ，也就是说 RGB 主要用于屏幕图像的展示，而 YUV 多用于采集与编码。
YUV 和 RGB 相互转换的公式为：

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三、HSV（HSB）和 HSL 可以发现 RGB 主要为硬件显示器服务，YUV 主要为音视频编解码服务，这么说下来和色彩最亲密的设计师该用哪种颜色呢？
他们也有自己行业特别关注的颜色，主要使用 HSV 和 HSL。
（一）为什么RGB不适用于图像处理
人眼对于RGB这三种颜色分量的敏感程度是不一样的，在单色中，人眼对红色最不敏感，蓝色最敏感，所以 RGB 颜色空间是一种均匀性较差的颜色空间。如果颜色的相似性直接用欧氏距离来度量，其结果与人眼视觉会有较大的偏差。对于某一种颜色，我们很难推测出较为精确的三个分量数值来表示。
简单来说，如果计算不同颜色之间的对比度，如果使用 RGB 来计算：
(R1-R2)^2 + (G1-G2)^2 + (B1-B2)^2
即使两组颜色数值相同，人的感触还是不一样的，比如这里我选三个颜色：

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

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可以看到尽管 RGB_1 和 RGB_3 距离 RGB_2 计算的欧式偏差是一样的，但我们还是会明显觉得 RGB_1 相比 RGB_3 更接近 RGB_2 ，因为 RGB_3 看上去比 RGB_1 和 RGB_2 更亮一些。
所以，RGB 颜色空间适合于显示系统，却并不适合于图像处理，图像处理强调的更多是感触。
（二）HSV颜色空间
根据颜色的直观特性创建的一种颜色空间，有 A.R. Smith 在 1978年创建的一种颜色空间，也称六角椎体模型。

色调 Hue
饱和度 Saturation
明度（亮度）Value

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HSV 对用户来说是一种直观的颜色模型，我们可以从一种纯色彩开始，即指定色彩角H，并让V=S=1，然后我们可以通过向其中加入黑色和白色，来得到我们需要的颜色。

增加黑色可以减小V而S不变
同样增加白色可以减少S而V不变

例如：要得到深蓝色：V=0.4，S=1，H=240度。
此外需要额外注意的是，HSV和HSB代指的是同一种颜色空间算法。
（三）HSL 颜色空间。

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HSV 和 HSL 在字面意思上是一样的：

H 指的是色相（Hue），就是颜色名称，例如“红色”、“蓝色”；
S 指的是饱和度（Saturation），即颜色的纯度；
L（Lightness）和 V（Value）是明度，颜色的明亮程度

在原理和表现上，HSL 和 HSB 中的 H（色相）完全一致，但二者的 S（饱和度）不一样， L 和 B （明度）也不一样：

HSV 中的 S 控制纯色中混入白色的量，值越大，白色越少，颜色越纯；
HSV 中的 V 控制纯色中混入黑色的量，值越大，黑色越少，明度越高
HSL 中的 S 和黑白没有关系，饱和度不控制颜色中混入黑白的多寡；
HSL 中的 L 控制纯色中的混入的黑白两种颜色。

（四）PS上的示例
下面是 Photoshop 和 Affinity Designer 的拾色器。

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两者分别使用了 HSB 和 HSL 颜色模型。两个拾色器都是 X 轴表示饱和度，越往右，饱和度越高；Y 轴表示明度，越往上明度越高。
先看 Photoshop 的 HSB 颜色模型拾色器，如下图所示，HSB 的 B（明度）控制纯色中混入黑色的量，越往上，值越大，黑色越少，颜色明度越高。

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如下图所示，HSB 的 S（饱和度）控制纯色中混入白色的量，越往右，值越大，白色越少，颜色纯度越高。

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接下来看 Affinity Designer 的 HSL 颜色模型拾色器。如下图所示，Y 轴明度轴，从下至上，混入的黑色逐渐减少，直到 50% 位置处完全没有黑色，也没有白色，纯度达到最高。继续往上走，纯色混入的白色逐渐增加，到达最高点变为纯白色，明度最高。

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（五）RGB、HSV、HSL转换方程式

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]. * * @paramNumberrThe red color value * @paramNumbergThe green color value * @paramNumberbThe blue color value * @returnArrayThe 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(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]. * * @paramNumberhThe hue * @paramNumbersThe saturation * @paramNumberlThe lightness * @returnArrayThe 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]. * * @paramNumberrThe red color value * @paramNumbergThe green color value * @paramNumberbThe blue color value * @returnArrayThe 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(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]. * * @paramNumberhThe hue * @paramNumbersThe saturation * @paramNumbervThe value * @returnArrayThe 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 }; }

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