HSV HSI

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本文介绍了RGB、HSV和HSI三种颜色空间的定义、数学模型及其在图像处理中的应用。RGB常用于显示器系统，但不符合人眼视觉特性，而HSV和HSI更符合视觉感知，常用于颜色处理后再转回RGB显示。HSV和HSI的主要区别在于亮度和明度的定义，HSV用明度，HSI用亮度。在HSV中，纯色的明度等于白色，而在HSI中，纯色的亮度等于中度灰。

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RGB颜色空间
定义
RGB颜色空间通常用于显示器系统，例如：电脑、电视机的显示器使用的都是RGB颜色空间。利用物理学中的三原色叠加原理，可以产生各种颜色。在RGB颜色空间中，R、G、B各颜色分量彼此独立。
RGB颜色空间的缺点在于不符合人眼的视觉特性，直接处理多有不便，因此通常需要转换到其他颜色空间进行处理，最后再转换到RGB颜色空间，用于显示器显示。

数学模型
RGB颜色空间中，R、G、B三个分量彼此独立，所能表示的范围也相同，例如：用8比特来表示每个分量，则所能表示的范围为[0,255]。在数学上，RGB颜色空间可以用一个正方体来表示，如下图所示：
在这里插入图片描述

HSV颜色空间
定义
HSV颜色空间中，H是Hue（色度）的缩写，S是Saturation（饱和度）的缩写，V是Value（亮度）的缩写。色度通常用来从宏观上区分某一种颜色，例如：白、黄、青、绿、品红、红、蓝、黑等就是色度；饱和度指的是颜色的纯度，通常情况下，颜色越鲜艳，饱和度越高，颜色越暗淡，饱和度越低；亮度指的是颜色的明暗程度，亮度越高，颜色越亮，亮度越低，颜色越暗。
HSV颜色空间不适合显示器系统，但是更符合人眼的视觉特性，因此通常会将颜色从RGB空间域转换到HSV颜色空间进行处理，然后在换回RGB域进行显示。
数学模型
HSV颜色空间可以用一个圆锥来表示，如下图所示：
在这里插入图片描述

如图所示，某一像素的H可以由该点与白色基准线所形成的圆心角表示，H的取值范围为[0,360]；某一点的S可以由该点与所在圆面的圆心之间的距离表示，距离越大，饱和度越高，反之越低；某一点的V可以由该点所在圆面与圆锥顶部之间的距离表示，距离越大，亮度越高，反之则越低。

HSI颜色空间
HSI颜色空间中，H和S与HSV颜色空间中的含义相同，I是Intensity（强度）的缩写。HSI颜色空间与HSV颜色空间很相近，但彼此之家并不相同。

数学模型
与HSV颜色空间不同的是，HSI颜色空间可以用以双锥体表示，数学模型如下图：
在这里插入图片描述

如图所示，与HSV颜色空间相比，HSI颜色空间中，H和S仍旧用相同的表示方法，不同的地方在于I的表示不同于V。
RGB到HSV的转换公式
分段函数法

RGB到HSI的转换公式
几何推导法

其他转换方法
RGB到HSI还有其他的转换方法，详情请参考博文RGB到HSI转换.

HSV和HSI区别
HSV (色相hue, 饱和度saturation, 明度value), 也称HSB
(B指brightness) 是艺术家们常用的，因为与加法减法混色的术语相比，使用色相，饱和度等概念描述色彩更自然直观。HSV
是RGB色彩空间的一种变形，它的内容与色彩尺度与其出处——RGB色彩空间有密切联系。

HSL (色相hue, 饱和度saturation, 亮度lightness/luminance),
也称HLS 或 HSI (I指intensity) 与
HSV非常相似，仅用亮度（lightness）替代了明度（brightness）。

二者区别在于，一种纯色的明度等于白色的明度，而纯色的亮度等于中度灰的亮度。

HSV颜色空间
HSV(hue,saturation,value)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° 。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。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模型对应于画家配色的方法。画家用改变色浓和色深的方法从某种纯色获得不同色调的颜色，在一种纯色中加入白色以改变色浓，加入黑色以改变色深，同时加入不同比例的白色，黑色即可获得各种不同的色调。

HSI颜色空间

在这里插入图片描述

HSI色彩空间是从人的视觉系统出发，用色调(Hue)、色饱和度(Saturation或Chroma)和亮度 (Intensity或Brightness)来描述色彩。HSI色彩空间可以用一个圆锥空间模型来描述。用这种描述HIS色彩空间的圆锥模型相当复杂，但确能把色调、亮度和色饱和度的变化情形表现得很清楚。通常把色调和饱和度通称为色度，用来表示颜色的类别与深浅程度。由于人的视觉对亮度的敏感程度远强于对颜色浓淡的敏感程度，为了便于色彩处理和识别，人的视觉系统经常采用HSI色彩空间，它比RGB色彩空间更符合人的视觉特性。在图像处理和计算机视觉中大量算法都可在HSI色彩空间中方便地使用，它们可以分开处理而且是相互独立的。因此，在HSI色彩空间可以大大简化图像分析和处理的工作量。HSI色彩空间和RGB色彩空间只是同一物理量的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系。