Ю'УВ

Эта статья об аналоговой кодировке цвета, используемой в PAL. Чтобы узнать о формате цифровых пикселей, см. YCbCr .

Пример цветовой плоскости UV, значение Y' = 0,5, представленной в цветовой гамме RGB.

Изображение вместе с его компонентами Y ', U и V соответственно.

Y’UV , также пишется YUV , — это цветовая модель , используемая в стандарте аналогового цветного телевидения PAL (за исключением PAL-N ). Цвет описывается как компонент Y' ( яркость ) и два компонента цветности U и V. Символ штриха (') означает, что яркость рассчитывается на основе входного сигнала RGB с гамма-коррекцией и что она отличается от истинной яркости . Сегодня термин YUV обычно используется в компьютерной индустрии для описания цветовых пространств, закодированных с использованием YCbCr .

В телевизионных форматах информация о цвете (U и V) добавлялась отдельно через поднесущую , чтобы черно-белый приемник по-прежнему мог принимать и отображать передачу цветного изображения в собственном черно-белом формате приемника, с нет необходимости в дополнительной полосе пропускания передачи.

Что касается этимологии, Y, Y', U и V не являются аббревиатурами. Использование буквы Y для обозначения яркости можно проследить до выбора основных цветов XYZ . Это естественным образом приводит к использованию одной и той же буквы в яркости (Y'), что соответствует воспринимаемому единообразному корреляту яркости. Аналогичным образом, U и V были выбраны, чтобы отличать оси U и V от осей в других пространствах, таких как пространство цветности x и y. Посмотрите уравнения ниже или сравните историческое развитие математики.

Сопутствующие цветовые модели

Объем терминов Y'UV, YUV, YCbCr, YPbPr и т. д. иногда неоднозначен и частично пересекается.

• Y’UV — это разделение, используемое в PAL.
• Y'PbPr — разделение, используемое в компонентном видео .
• Y’CbCr — это любая цифровая кодировка Y’PbPr, подходящая для сжатия и передачи видео и изображений в таких форматах, как MPEG и JPEG .
• YDbDr — это формат, используемый в SECAM и PAL-N , который необычно основан на негамма-корректированном (линейном) RGB, что делает компонент Y истинной яркостью .
• Y’IQ — это формат, используемый в телевидении NTSC .

Все эти форматы основаны на компоненте яркости и двух компонентах цветности, описывающих отличие цвета от серого. Во всех форматах, кроме Y'IQ, каждый компонент цветности представляет собой масштабированную версию разницы между красным/синим и Y; Основное различие заключается в используемых коэффициентах масштабирования, которые определяются основными цветами и предполагаемым числовым диапазоном (сравните использование U _max и V _max в § SDTV с BT.470 с фиксированным ⁠ 1/2 ⁠ ) YCbCr § в R'G'B' в Y'PbPr . В Y’IQ UV-плоскость повернута на 33°.

История

Y'UV был изобретен, когда инженеры хотели использовать цветное телевидение в черно-белой инфраструктуре. Им нужен был метод передачи сигнала, который был бы совместим с черно-белым (черно-белым) телевидением, но при этом позволял бы добавлять цвет. Компонент яркости уже существовал в виде черно-белого сигнала; они добавили к этому УФ-сигнал в качестве решения.

УФ-представление цветности было выбрано вместо прямых сигналов R и B, поскольку U и V являются сигналами цветового различия. Другими словами, сигналы U и V сообщают телевизору изменить цвет определенного пятна, не меняя его яркости. Или сигналы U и V сообщают монитору, что нужно сделать один цвет ярче за счет другого и насколько его следует сместить. Чем выше (или ниже, если они отрицательные) значения U и V, тем более насыщенным (красочным) становится пятно. Чем ближе значения U и V к нулю, тем меньше смещается цвет, а это означает, что красный, зеленый и синий свет будут более одинаково яркими, создавая более серое пятно. В этом заключается преимущество использования сигналов цветового различия, т.е. вместо определения того, сколько красного в цвете, он показывает, насколько он больше красного, чем зеленого или синего. В свою очередь это означало, что когда сигналы U и V будут равны нулю или отсутствуют, будет просто отображаться изображение в оттенках серого . Если бы использовались R и B, они имели бы ненулевые значения даже в черно-белой сцене, что требовало бы использования всех трех сигналов, несущих данные. Это было важно на заре цветного телевидения, потому что старые черно-белые телевизионные сигналы не имели сигналов U и V, а это означало, что цветной телевизор просто отображал его как черно-белый телевизор из коробки. Кроме того, черно-белые приемники могут принимать сигнал Y' и игнорировать сигналы цвета U и V, что делает Y'UV обратно совместимым со всем существующим черно-белым оборудованием, входом и выходом. Если бы стандарт цветного телевидения не использовал сигналы цветоразностных сигналов, это могло бы означать, что цветной телевизор будет воспроизводить забавные цвета из черно-белой передачи или ему потребуется дополнительная схема для преобразования черно-белого сигнала в цветной. Было необходимо назначить более узкую полосу пропускания для канала цветности, поскольку не было дополнительной доступной полосы пропускания. Если бы часть информации о яркости поступала через канал цветности (как это было бы, если бы вместо дифференциальных УФ-сигналов использовались сигналы RB), черно-белое разрешение было бы нарушено.

Преобразование в/из RGB

SDTV с BT.470

Сигналы Y'UV обычно создаются из источника RGB ( красного , зеленого и синего ). Взвешенные значения R, G и B суммируются для получения Y', меры общей яркости или яркости. U и V рассчитываются как масштабированные разности между Y 'и значениями B и R.

Стандарт PAL (NTSC использует YIQ , который далее вращается) определяет следующие константы: получено из основных цветов системы M BT.470 и точки белого с использованием SMPTE RP 177 (те же константы, называемые матричными коэффициентами, использовались позже в BT.601 , хотя здесь используется 1/2 вместо 0,436 и 0,615):

${\begin{aligned}W_{R}&=0.299,\\W_{G}&=1-W_{R}-W_{B}=0.587,\\W_{B}&=0.114,\\U_{\text{max}}&=0.436,\\V_{\text{max}}&=0.615.\end{aligned}}$

Сигналы PAL в Y'UV вычисляются из R'G'B' (только SECAM IV использовал линейный RGB). ) следующее:

${\begin{aligned}Y'&=W_{R}R'+W_{G}G'+W_{B}B'=0.299R'+0.587G'+0.114B',\\U&=U_{\text{max}}{\frac {B'-Y'}{1-W_{B}}}\approx 0.492(B'-Y'),\\V&=V_{\text{max}}{\frac {R'-Y'}{1-W_{R}}}\approx 0.877(R'-Y').\end{aligned}}$

Результирующие диапазоны Y', U и V соответственно составляют [0, 1], [- U _max , U _max ] и [- V _max , V _max ].

Инвертирование вышеуказанного преобразования преобразует Y’UV в RGB:

${\begin{aligned}R'&=Y'+V{\frac {1-W_{R}}{V_{\text{max}}}}=Y'+{\frac {V}{0.877}}=Y'+1.14V,\\G'&=Y'-U{\frac {W_{B}(1-W_{B})}{U_{\text{max}}W_{G}}}-V{\frac {W_{R}(1-W_{R})}{V_{\text{max}}W_{G}}}\\&=Y'-{\frac {0.232U}{0.587}}-{\frac {0.341V}{0.587}}=Y'-0.395U-0.581V,\\B'&=Y'+U{\frac {1-W_{B}}{U_{\text{max}}}}=Y'+{\frac {U}{0.492}}=Y'+2.033U.\end{aligned}}$

Аналогичным образом, замена констант значениями и выражение их в виде матриц дает следующие формулы для системы BT.470 M (PAL):

${\begin{aligned}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}0.299&0.587&0.114\\-0.14713&-0.28886&0.436\\0.615&-0.51499&-0.10001\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}},\\{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}1&0&1.13983\\1&-0.39465&-0.58060\\1&2.03211&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}.\end{aligned}}$

Для небольших значений Y' можно получить отрицательные значения R, G или B, поэтому на практике мы ограничиваем результаты RGB интервалом [0,1] или, что более правильно, зажимаем внутри Y'CbCr.

В BT.470 была допущена ошибка, потому что для синего цвета вместо 0,114 использовалось 0,115 и в результате вместо 0,492 получалось 0,493. На практике это не повлияло на декодеры, поскольку использовалось приближение 1/2,03.

HDTV с BT.709

HDTV Рек. 709 (очень близко к SDTV Rec. 601) по сравнению с UHDTV Rec. 2020 год

Для HDTV ATSC по сравнению с ранее выбранными значениями решил изменить базовые значения W _R и W _B в системе SDTV. Для ТВЧ эти значения предоставлены Рек. 709 . Это решение дополнительно повлияло на матрицу преобразования Y'UV↔RGB, так что значения ее элементов также немного отличаются. В результате для SDTV и HDTV обычно возможны два различных представления Y'UV для любой тройки RGB: SDTV-Y'UV и HDTV-Y'UV. В частности, это означает, что при прямом преобразовании между SDTV и HDTV информация о яркости (Y') примерно одинакова, но представление информации о канале цветности (U и V) требует преобразования. Все еще в цветовом пространстве CIE 1931 года Rec. Цветовое пространство 709 практически идентично Rec. 601 и охватывает 35,9%. В отличие от этого UHDTV с Rec. 2020 год охватывает гораздо большую территорию, поэтому для YCbCr была получена собственная матрица (нет YUV/Y’UV после вывода из эксплуатации аналогового телевидения).

BT.709 определяет следующие значения веса:

${\begin{aligned}W_{R}&=0.2126,\\W_{G}&=1-W_{R}-W_{B}=0.7152,\\W_{B}&=0.0722\\\end{aligned}}$

Значения U _max и V _max указаны сверху.

Матрицы преобразования для аналоговой формы BT.709 таковы, но нет никаких свидетельств того, что они когда-либо использовались на практике (вместо этого используется только фактически описанная форма BT.709, форма YCbCr ):

${\begin{aligned}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}0.2126&0.7152&0.0722\\-0.09991&-0.33609&0.436\\0.615&-0.55861&-0.05639\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}\\{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}1&0&1.28033\\1&-0.21482&-0.38059\\1&2.12798&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}\end{aligned}}$

Примечания

• Веса, используемые для вычисления Y’ (верхняя строка матрицы), идентичны весам, используемым в цветовом пространстве Y’IQ .
• Равные значения красного, зеленого и синего (т.е. уровни серого) дают 0 для U и V. Черный, RGB=(0, 0, 0), дает YUV=(0, 0, 0). Белый, RGB=(1, 1, 1), дает YUV=(1, 0, 0).
• Эти формулы традиционно используются в аналоговых телевизорах и оборудовании; цифровое оборудование, такое как HDTV и цифровые видеокамеры, использует Y’CbCr.

• UV-плоскости в диапазоне Y=[0,1] с использованием матрицы BT.709.
• 
  Значение Y' 0
• 
  Значение Y' 0,5
• 
  Значение Y', равное 0,5, с необрезанной гаммой, показанной центральным прямоугольником.
• 
  Значение Y', равное 1

Системы яркости/цветности в целом

Основное преимущество систем яркости/цветности, таких как Y'UV и его родственников Y'IQ и YDbDr , заключается в том, что они остаются совместимыми с черно-белым аналоговым телевидением (во многом благодаря работе Жоржа Валенси ). Канал Y' сохраняет все данные, записанные черно-белыми камерами, поэтому выдает сигнал, пригодный для приема на старых монохромных дисплеях. В этом случае U и V просто отбрасываются. При отображении цвета используются все три канала, и можно декодировать исходную информацию RGB.

Еще одним преимуществом Y'UV является то, что часть информации может быть отброшена для уменьшения пропускной способности . Человеческий глаз имеет довольно низкую пространственную чувствительность к цвету: точность информации о яркости канала яркости оказывает гораздо большее влияние на различимую детализацию изображения, чем точность двух других. Понимая этот человеческий недостаток, такие стандарты, как NTSC и PAL, значительно сокращают полосу пропускания каналов цветности. (Пропускная способность находится во временной области, но при сканировании изображения она преобразуется в пространственную область.)

Следовательно, результирующие сигналы U и V могут быть существенно «сжаты». В системах NTSC (Y'IQ) и PAL сигналы цветности имели значительно более узкую полосу пропускания, чем сигналы яркости. Ранние версии NTSC быстро чередовали определенные цвета в идентичных областях изображения, чтобы они казались человеческому глазу суммирующими друг друга, в то время как все современные аналоговые и даже большинство цифровых видеостандартов используют субдискретизацию цветности путем записи цветовой информации изображения с пониженным разрешением. Сохраняется только половина разрешения по горизонтали по сравнению с информацией о яркости (так называемая субдискретизация цветности 4:2:2), и часто вертикальное разрешение также уменьшается вдвое (что дает 4:2:0). Стандарт 4:x:x был принят в связи с самым ранним стандартом цвета NTSC, в котором использовалась субдискретизация цветности 4:1:1 (где горизонтальное цветовое разрешение делится на четыре части, а вертикальное соответствует полному разрешению), так что изображение передало только Разрешение цвета на четверть меньше разрешения по яркости. Сегодня только высокопроизводительное оборудование, обрабатывающее несжатые сигналы, использует субдискретизацию цветности 4:4:4 с одинаковым разрешением как для информации о яркости, так и о цвете.

Оси I и Q были выбраны в соответствии с шириной полосы пропускания, необходимой человеческому зрению: одна ось требует наибольшей ширины полосы пропускания, а другая (случайно под углом 90 градусов) — минимальной. Однако настоящая I- и Q-демодуляция была относительно более сложной и требовала двух аналоговых линий задержки, и приемники NTSC ее редко использовали.

Однако эта стратегия цветовой модуляции приводит к потерям , особенно из-за перекрестных помех от сигнала яркости к проводу, несущему цветность, и наоборот, в аналоговом оборудовании (включая разъемы RCA для передачи цифрового сигнала, поскольку все, что они передают, — это аналоговое композитное видео , которое это либо YUV, YIQ, либо даже CVBS ). Кроме того, NTSC и PAL кодируют цветовые сигналы таким образом, что сигналы цветности и яркости с широкой полосой пропускания смешиваются друг с другом, чтобы обеспечить обратную совместимость с черно-белым телевизионным оборудованием, что приводит к ползанию точек и искажениям цвета . Когда в 1950-х годах был создан стандарт NTSC, это не вызывало серьезного беспокойства, поскольку качество изображения ограничивалось оборудованием монитора, а не принимаемым сигналом с ограниченной полосой пропускания. Однако сегодняшнее современное телевидение способно отображать больше информации, чем содержится в этих сигналах с потерями. Чтобы идти в ногу с возможностями новых технологий отображения, с конца 1970-х годов предпринимались попытки сохранить больше сигнала Y'UV при передаче изображений, таких как Разъемы SCART (1977 г.) и S-Video (1987 г.).

Вместо Y'UV в качестве стандартного формата для (цифровых) распространенных алгоритмов сжатия видео , таких как MPEG-2 , использовался Y'CbCr . Цифровое телевидение и DVD сохраняют сжатые видеопотоки в формате MPEG-2, который использует полностью определенное цветовое пространство Y’CbCr, хотя и сохраняет установленный процесс субдискретизации цветности. Cinepak , видеокодек 1991 года, использовал модифицированное цветовое пространство YUV 4:2:0. Профессиональный формат цифрового видео CCIR 601 также использует Y'CbCr с общей частотой субдискретизации цветности 4:2:2, в первую очередь для совместимости с предыдущими стандартами аналогового видео. Этот поток можно легко смешать с любым необходимым выходным форматом.

Y'UV не является абсолютным цветовым пространством . Это способ кодирования информации RGB, и фактический отображаемый цвет зависит от фактических красителей RGB, используемых для отображения сигнала. Следовательно, значение, выраженное как Y'UV, можно предсказать только в том случае, если используются стандартные красители RGB (т. е. фиксированный набор основных цветностей или конкретный набор красного, зеленого и синего).

Более того, диапазон цветов и яркостей (известный как цветовая гамма и цветовой объем) RGB (будь то BT.601 или Rec. 709) намного меньше, чем диапазон цветов и яркостей, допускаемый Y'UV. Это может быть очень важно при преобразовании из Y’UV (или Y’CbCr) в RGB, поскольку приведенные выше формулы могут давать «недопустимые» значения RGB, т. е. значения ниже 0 % или намного выше 100 % диапазона (например, за пределами стандартного диапазона яркости 16–235 (и диапазона цветности 16–240) для телевизоров и контента HD или за пределами 0–255 для стандартного разрешения на ПК). Если эти значения не будут обработаны, они обычно будут «обрезаны» (т.е. ограничены) допустимым диапазоном затронутого канала. Это изменяет оттенок цвета, что очень нежелательно, поэтому часто считается, что лучше обесцветить неприятные цвета, чтобы они попадали в гамму RGB. Аналогично, когда RGB с заданной разрядностью преобразуется в YUV с той же разрядностью, несколько цветов RGB могут стать одним и тем же цветом Y'UV, что приводит к потере информации.

Связь с Y′CbCr

Y’UV часто используется как термин для YCbCr . Однако, хотя они и связаны, это разные форматы с разными коэффициентами масштабирования; кроме того, в отличие от YCbCr, Y'UV исторически использовал два разных масштабных коэффициента для компонента U и компонента V. используется немасштабированная матрица В PhotoYCC Photo CD . U и V представляют собой биполярные сигналы, которые могут быть положительными или отрицательными и равны нулю для серого цвета, тогда как YCbCr обычно масштабирует все каналы либо в диапазон 16–235, либо в диапазон 0–255, что делает беззнаковые величины Cb и Cr, равные 128 для серые.

Тем не менее связь между ними в стандартном случае проста. В частности, каналы Y' обоих линейно связаны друг с другом, Cb и U линейно связаны с (BY), а Cr и V линейно связаны с (RY).

См. также

• Подвыборка цветности

Внешние ссылки

• Пойнтон, Чарльз. Видеоинжиниринг
• Набор инструментов Colorlab MATLAB для вычислений в области науки о цвете и точной цветопередачи (авторы: Хесус Мало и Мария Хосе Луке, Университет Валенсии). Он включает в себя стандартную трехцветную колориметрию CIE и преобразования в ряд нелинейных моделей цветового восприятия (CIE Lab, CIE CAM и т. д.).
• Цветовое пространство и модели YUV, YCbCr, YPbPr
• Цветовые форматы для обработки изображений и видео — преобразование цветов между RGB, YUV, YCbCr и YPbPr.
• hacktv — библиотека для передачи аналогового ТВ с использованием программно-определяемого радио