YUV

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Exemplu de plan de culoare UV, valoarea Y este 0,5, reprezentată în gama RGB.
Imaginea completă, în partea de sus, este apoi descompusă în Y, U și V.

YUV este un spațiu de culoare utilizat pentru codarea imaginilor sau a videoclipurilor. Concepută pentru a reflecta comportamentul viziunii umane, permite o lățime de bandă cromatică redusă: această tehnică permite o mascare mai eficientă a oricăror erori de transmisie sau artefacte de compresie, comparativ cu o reprezentare directă RGB .

Terminologie

Termenii Y'UV, YUV, YCbCr și YPbPr nu sunt întotdeauna clari și utilizarea lor dă naștere suprapunerilor. Din punct de vedere istoric, termenii YUV și Y'UV se referă la codificarea utilizată pentru transmisia analogică a culorilor în conformitate cu standarde specifice, în timp ce „YCbCr” se referă la codificarea digitală a imaginilor video și a imaginilor, cum ar fi de exemplu în schemele de compresie. MPEG și JPEG . În timpurile moderne, termenul YUV este utilizat în mod obișnuit în informatică pentru a descrie fișiere care conțin videoclipuri codificate conform modelului YCbCr.

Modelul Y'UV definește un spațiu de culoare folosind o componentă de luminanță (Y ') și două componente de crominanță (UV). Acest model este utilizat în standardele de televiziune analogice PAL și SÉCAM , în timp ce televizorul alb-negru folosea doar componenta Y '. Informațiile de culoare U și V sunt adăugate separat printr-un subpurtător pentru a menține compatibilitatea cu receptoarele alb-negru. Notația Y '(luma) diferă de Y (luminanță) prin faptul că prima este corectată gamma (de aici simbolul "'"), [1] și, prin urmare, reprezintă o valoare a tensiunii electrice, în timp ce a doua se referă la o intenție perceptivă.

Modelul YPbPr , utilizat în componentele video analogice, și versiunea sa digitală YCbCr sunt derivate din modelul Y'UV și uneori numite aceleași. (C B / P B și C R / P R sunt abateri de la gri pe axele albastru-galben și roșu-cyan, în timp ce U și V sunt diferențe de culoare între albastru și roșu și semnalul de luminanță). Spațiul de culoare Y'IQ utilizat în televiziunea analogică NTSC este legat de Y'UV, deși într-un mod mai complex.

fundal

Y'UV a fost conceput cu scopul de a permite difuzarea televiziunii color, păstrând în același timp compatibilitatea cu infrastructurile existente în alb și negru. [2] Această cerință a implicat necesitatea de a păstra semnalul Y 'luma deja existent, pentru care a fost dezvoltată o tehnică pentru a adăuga la acesta cele două semnale de crominanță UV.

După cum sa menționat deja, U și V sunt două semnale de diferență de culoare și, spre deosebire de semnalele R și B complete, necesită o lățime de bandă mult mai mică pentru a fi transmise. Având în vedere cazul limitativ al unei transmisii alb-negru, semnalele U și V nu implică nicio modulație suplimentară, în timp ce semnalele R și B ar necesita în continuare lățime de bandă completă. Deși acum învechită, această caracteristică a modelului a fost deosebit de importantă în momentul dezvoltării sistemului, deoarece a garantat posibilitatea ca noile televizoare color să primească semnalele tradiționale alb-negru existente, fără a fi nevoie să implementeze circuite suplimentare. În același timp, televizoarele alb-negru existente ar fi putut ignora pur și simplu semnalele cromate și ar fi folosit semnalul Y 'transmis oricum.

De asemenea, trebuie amintit că semnalele deja transmise în alb și negru ocupau deja toată banda disponibilă pe canal: lipsa spațiului suplimentar făcea necesară atribuirea unei benzi mai mici subpurtătorului de crominanță. Utilizarea semnalelor UV a satisfăcut, de asemenea, această nevoie, fără a sacrifica rezoluția disponibilă pentru semnalul Y '. [3]

Sisteme de luminanță / cromanță, note generale

Principalul avantaj al sistemelor luma / croma, cum ar fi Y'UV și derivatele sale Y'IQ și YDbDr , este compatibilitatea cu sistemele alb-negru (în mare parte datorită muncii lui Georges Valensi ). Canalul Y păstrează aproape toate datele captate de camerele alb-negru și produce un semnal adecvat pentru recepție pe sisteme mai vechi, pur și simplu prin aruncarea canalelor U și V. Pe un televizor color, sunt utilizate toate cele trei canale, restabilind RGB-ul original. informație.

Un alt avantaj al Y'UV este compresia și economisirea considerabilă a lățimii de bandă , care se obține prin eliminarea unor informații despre culoare la care ochiul uman nu este foarte sensibil. O mare parte din detaliile percepute sunt, de fapt, date de informațiile privind nivelurile de lumină prezente în semnalul de luminanță. În consecință, semnalele U și V pot fi substanțial comprimate. În sistemele PAL și NTSC (YIQ), croma ocupă o bandă semnificativ mai mică decât luminanța. Această caracteristică a fost menținută în toate sistemele analogice și, de asemenea, în cele mai multe sisteme digitale, unde se utilizează submasionarea cromă , reducând la jumătate rezoluția informațiilor despre culoare. Această schemă, cunoscută sub numele de 4: 2: 2 , este cea mai comună. Din punct de vedere istoric, este interesant de notat notația 4: x: x care derivă din primele sisteme NTSC care au prelevat informații despre culoare la o rezoluție egală cu un sfert din acea luminanță (4: 1: 1). Doar sistemele high-end, până în prezent, sunt capabile să probeze informații de luminanță și cromanță cu aceeași rezoluție (4: 4: 4).

Axele I și Q au fost alese, din nou, pe baza caracteristicilor viziunii umane, cu o axă care necesită cea mai mare lățime de bandă și cealaltă, printr-o coincidență norocoasă la 90 °, cea mai scurtă. Cu toate acestea, demodularea acestor axe este destul de complexă și necesită două linii analogice de întârziere - o tehnologie scumpă pentru acea vreme, pe care televizoarele NTSC o foloseau rar.

Compresia efectuată pe canalele U și V este de tipul pierderii de informații și aceasta implică o înrăutățire a calității semnalului, evidentă în special în fenomenele de bătăi care pot apărea, înrăutățite în continuare de amestecarea în semnalul video compozit . Deși acest aspect nu era deosebit de important în momentul proiectării standardelor de difuzare analogice, în timp calitatea televizoarelor s-a îmbunătățit mult și scăderea calității în comparație cu un semnal direct RGB este ușor de observat. Y'UV nu este un spațiu de culoare absolut . Este o modalitate de codificare a informațiilor RGB, iar culoarea care este afișată la capătul lanțului depinde de fapt de sistemul utilizat pentru a le afișa. În consecință, o valoare exprimată ca Y'UV poate fi stabilită a priori numai dacă se utilizează coloranți RGB standard (de exemplu, un set specific de roșu, verde și albastru).

Confuzie cu Y'CbCr

YUV este folosit foarte des ca sinonim pentru YCbCr . Cu toate acestea, acestea sunt formate diferite, unul analog și celălalt digital, cu factori de scalare diferiți. [4]

În sistemele digitale, modelul Y'CbCr este cel mai frecvent utilizat atât pentru compresie, cât și pentru transmisie, în special pentru aplicații video, dar și mai general ori de câte ori sunt tratate imagini. Este destul de obișnuit în sistemele informatice să se utilizeze termenul YUV în locul Y'CbCr corect și această practică este probabil sursa confuziei. De exemplu, popularul sistem de compresie MPEG utilizat în DVD-uri și difuzare digitală folosește de obicei un model Y'CrCb, dar este adesea denumit YUV.

Conversie de la / la RGB

semnalele sunt de obicei create de o sursă RGB , ale cărei valori ponderate sunt adăugate pentru a produce Y ', care reprezintă nivelurile generale de lumină. Semnalele U și V sunt calculate ca diferențele dintre semnalul Y și semnalele R și B originale.

Având în vedere următoarele constante:

Y'UV se calculează din RGB după cum urmează:

Din care rezultă amplitudinile semnalului pentru Y ', U și V din [0, 1], [- U Max , U Max ] și respectiv [- V Max , V Max ].

Procesul invers convertește Y'UV în RGB:

Înlocuind valorile pentru constante și exprimându-le ca matrice, avem:

Notă

Greutățile utilizate pentru a calcula Y '(rândul superior al matricei) sunt identice cu cele utilizate pentru spațiul de culoare Y'IQ .

Valorile egale ale roșu, verde și albastru (adică niveluri de gri) au ca rezultat U și V egale cu 0. Negru, RGB = (0, 0, 0), rezultă YUV = (0, 0, 0). Alb, RGB = (1, 1, 1), rezultă YUV = (1, 0, 0).

Acestea sunt formulele tradiționale utilizate în televizoare și echipamente analogice în general. Sistemele digitale precum cele utilizate pentru aparatele foto de înaltă definiție și cele digitale utilizează modelul Y'CbCr.

Tipuri de eșantionare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: subesantionarea Chroma .

Pentru a obține un semnal digital, imaginile Y'UV pot fi eșantionate în mai multe moduri diferite. După cum sa menționat, cel mai frecvent este 4: 2: 2, dar 4: 2: 0 sau 4: 1: 1 sunt, de asemenea, destul de frecvente.

BT.709 și BT.601

În timp ce standardiza formatele video de înaltă definiție, ATSC a ales o formulă diferită pentru modelul YCbCr decât cea utilizată pentru video cu definiție standard. În consecință, atunci când convertiți semnale între cele două formate, spațiul de culoare trebuie convertit.

Formulele de mai sus se referă la recomandarea BT.601 . Pentru înaltă definiție , se utilizează o matrice ușor diferită, unde W R și W B sunt înlocuite de recomandarea BT.709 :

Ceea ce dă matricile:

Aproximări numerice

Înainte de dezvoltarea procesoarelor SIMD în virgulă mobilă , majoritatea conversiilor digitale RGB-> Y'UV foloseau operații matematice întregi , în special aproximări ale numărului fix . În următoarele exemple, „ „indică o deplasare la dreapta „ a ”cu un număr de biți egal cu„ b ”.

Reprezentarea pe 8 biți a unui model tradițional Y'UV cu numere întregi fără semn se desfășoară după cum urmează:

1. Transformarea de bază

2. Scalare pe 8 biți cu rotunjire

3. Derulare

Valorile Y 'sunt schimbate convențional și scalate în intervalul [16, 235] (numite „valori de studiu”), mai degrabă decât în ​​intervalul complet [0, 255]. Aceasta este o practică care derivă din standardele MPEG , care explică de ce 16 se adaugă la valoarea lui Y 'și de ce coeficientul Y' în transformarea de bază se adaugă la 220 și nu la 255. Valorile U și V, care pot fi pozitive sau negative, se adaugă la 128 pentru a le face întotdeauna numere pozitive. [5]

Notă

  1. ^ Ghid de inginerie EG 28, "Glosar adnotat de termeni esențiali pentru producția electronică", SMPTE, 1993.
  2. ^ Maller, Joe. RGB și YUV Color Arhivat la 24 februarie 2008 la Internet Archive ., Referință FXScript
  3. ^ W. Wharton și D. Howorth, Principiile recepției de televiziune , Editura Pitman, 1971, pp 161-163
  4. ^ Charles Poynton, YUV și luminanță considerată dăunătoare , 19 iunie 1999. Adus 22 august 2008 .
  5. ^ Keith Jack, Video Demystified , ISBN 1-878707-09-4 .

linkuri externe