谈谈色彩模型(HSB)

你港咩

这事还得从盘古开天辟地说起……算了算了太长了,就先从眼睛对自然光的认知开始吧,自然光(红橙黄绿青蓝紫等)属于特定波长的电磁波,电磁波被眼睛接受经大脑解释为颜色。而一般人眼睛中感知色彩的视锥细胞只有三种,分别对红、绿、蓝最敏感,根据三细胞感知程度的不同解释为不同的颜色,这也正是三原色的由来,电脑中的 RGB 色彩表示方式(也称为 RGB 色彩模型)也以此为基础。

HSB 呢,这和 HSB 有什么关系?莫急,想写这篇文章呢,是在使用 HSB 色彩表示方式时对其原理比较好奇,想知道饱和度代表了什么?明度又是什么意思?顺便试试 Markdown,于是捣鼓了一下,写下来分享分享,而通过熟悉的事物来理解一个陌生的事物会更加容易,于是捎上咱们的老朋友,RPG,不不不,RGB。

拾色器

本文所有操作均在 PS 的 拾色器 中进行,先介绍下拾色器。

拾色器.png

分了 6 个区域, ① ② ③ ④ 是四种不同的颜色表示方式,修改其中的数值会实时将颜色显示在 ⑤ 区域,而 ⑥ 是可视化颜色调节区域。

⑥ 区域由两部分构成,二维的矩形框和一维的长条,所以一共可以表示 3 个变量,也即可以表示 ①、② 或 ③ 颜色表示方式,而 ④ 因为有四个变量表示不了,举例来说,上图中选中了 RGB 中的 G,⑥ 中的长条则代表 G,而矩形横轴代表 B,纵轴代表 R。

三生万物——色彩混合

RGB 的基础原理是色彩混合,通过三种原始颜色混合出千万色彩。一般用 RGB 表现颜色是用 0~255 分别代表三种颜色各自分量的大小,比如(255,0,0)表示红色,理论上来讲 RGB 一共可以表示 2^{8*3} ,1600 多万种颜色。下面直观地来看看。

绿50.png
绿150.png
绿250.png

首先看单一分量,上图中红蓝固定为 0,绿色值逐渐调大,可以看到绿色越来越亮,也即接受到的绿色光更多,这也是 HSB 中明度的概念。同时当绿色值变化时,矩形框中的色彩也在不断变化,而这个变化和色相、饱和度、明度都有关系,我们下面再说。

黄250.png

接着看颜色的混合,比如我想要一个黄色,网上搜一个色彩混合表,黄色由绿色和红色构成,让我们粗略地来试一下,由上图看果然如此,验证了 RGB 的工作方式。这边需要注意的是色彩混合表需要区别光和颜料,颜料的三原色虽然一般说是红黄蓝,但其实是 CMY,天青、洋红、柠黄。

记得初中学物理那会儿,学到三原色,没想到光和颜料的还不一样,一个红绿蓝一个红黄蓝,小小年纪十分困惑,明明都是颜色为什么三原色不一样呢?去问老师,老师没有直接回答,反问道:“应该一样吗?”。不禁陷入了沉思,应该吗?一个是光一个是颜料,应该一样吗?也许这世界就是这样呢。小小的人儿后来长大了,又想起了这个问题,不应该吗?眼睛接受的都是光啊。

继续正题,CMY 其实是 RGB 两两并集的产物,颜料的颜色是反射的颜色,光照在颜料上,一部分频段的光被吸收,另一部分没吸收的光反射出来被看见。CMY 吸收的正好分别是 RGB,比如 Y,吸收 B,反射 R 和 G,红与绿的混合正好是黄色。其实颜料用 RGB 作为三原色也行,只是相较之下调配颜色要吸收更多的色光,会降低明度。

波长与色彩.jpg

月有阴晴圆缺,世事也难以两全。RGB 表示色彩的方式十分直观,但在上面的过程中也暴露出来一个问题,我要一个黄色还得去查色彩混合表吗,我要橘色、浅蓝色呢?十分的不方便,有什么好办法吗?自然是有的,接下来有请我们的 HSB 登场。

HSB

从色彩表达的实现来说,RGB 是很自然的,符合直觉的,但在使用颜色的过程中却会遇到很大的麻烦。HSB 的诞生想必也是因为前人发现用 RGB 调色极繁从而发明了 HSB,一种可以更好地使用颜色的色彩描述方式,HSB 将颜色分为三个维度,色相、饱和度和明度,下面通过 RGB 从质性的角度分别来理解这三个维度,不会出现转换公式。

Hue

色相划分不同的颜色,是色彩表达的核心,一共 360 种,为了探究 H,将饱和度和明度都设成 100,滑动 H 从 0 到 360。虽然 H 取值是 [0, 360] 一共 361 个值,不过由于色相中 0 是等于 360 的,所以一共是 360 种色彩类别。

色相.png

上图中色条上方字母意思是在这个位置对应颜色达到最大值。H 从 0 到 360 的整个过程中总有一个原色(RGB 三原色)处于最大值 255,也总有一个处于最小值 0,另外一个渐变。比如从 R 到 RG,红色拉满,没有蓝色,慢慢加绿色,到了 RG 绿色加到最大值,再往右则慢慢减红色……色条在本质上是色环,RGB 在各自的领域内保持最大值,并且两两相溶,色相 360 度,每一度里规定了两两之间的比例。

Brightness

明度代表整体光量,选中 B 拖动滑块,便能轻易发现其含义。

B100.png
B50.png

观察 B 从 100% 到 50% 时 RGB 的变化,可以发现 RGB 整体随着 B 等比例变化。由于 RGB 值的大小代表了进光量,也就是说 B 代表了整体色光的多少,顺带一提,HSB 是一种设备无关的表示方式,比如 B 表示色光数量是以百分比的形式,而不是尼特等绝对量单位,100% 代表了显示设备所能发出的最亮的色光。

Saturation

饱和度要稍麻烦一些,没关系慢慢来,通过典型边界更容易发现规律,一起来看看饱和度在 100%,50%,0% 下的不同情况吧。

S100.png
S50.png
S0.png

在亮度 100% 的前提下,RGB 中必有一个处于最大值 255,我愿称它为主色相,另两个为次色相。观察图中 S 从 100% 到 0% 的过程可以发现,主色相保持最大值不变,次色相从 0 涨到 255,也就是从最小值到最大值。因此饱和度表示的是色相的单纯性,饱和度越高,色相越单纯,杂色越少,所以我更喜欢它的另外一个名字,纯度。

明度控制了整体光量,制约着 RGB 所能取得的最大值,影响着纯度的整体表现,不影响其内在比例。

再结合色相对原色比例的影响,可以对纯度作一个整体说明。纯度代表了色相比例的单纯性,纯度降低会破坏色相确定的原色比例,具体破坏方法是添加次色相,添加总量是次色相值到亮度确定的最大值之间的差值,取决于色相比例和整体亮度,添加比例则取决于纯度。

哔哔叨

先吐槽一下,捣鼓色域的时候,在网上查相关资料,各种概念混用搞得头都大了,发现当查到一定深度时,想查到有用的信息就变得格外困难,80% 的重复信息,通用搜索引擎也变得极难用,逼乎在专业知识方面要可靠不少,虽然喜爱的果壳也很专业,可惜内容不够多。

说回色域,也即颜色空间。HSB 和 RGB 都是一种色彩表达方式,而落实到具体载体上,比如显示器,就会牵扯到色域,例如你说的黑是什么黑,五彩斑斓的黑吗?为了解决这种问题,各种色域标准被提出来,比如 sRGB,Adobe RGB 等。

自然界一共有多少颜色?单独这个问题是缺乏意义的,颜色是对光的解释,依赖于具体的接收者,每个视锥细胞大概可以区分 100 种色相,因此一般人能感知大约 100^3 = 100W 种颜色,1931 年 CIE 根据实验数据提出 CIE 1931 色域,1976年修正提出 Lab 色域(对应的色彩模型同名),包含了人眼可见的所有色彩,也是目前最大的色域。

最后有个小疑问,色域有规定色彩精度吗?理论上 RGB 描述色彩可以表现 1600 多万种颜色,而 Lab 可以表现 101 * 256 * 256 ,600 多万种,HSB 则可以表现 360 * 101 * 101 ,300多万种。这是不是说明 RGB 精度更高、色彩表现力更好、在同一色域下可以获得更细腻的色彩呢?也许吧,我累了😂,就算有也是人眼看不出来的区别了。

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