PAL стандартындағы Y′UV түс моделі

Кіріспе

Математикалық түс моделі – PAL стандартында қолданылатын аналогтық түс кодтамасы, Y′UV деп те жазылады. Бұл PAL аналогтық түсті теледидар стандартында (PAL N ерекшелік) кездесетін түс моделі. Түс Y′ компоненті (люма) және екі хрома компоненті U және V арқылы сипатталады. Апшпа символ (') люманың гамма түзетілген RGB кірісінен есептелетінін және ол нағыз жарықтықтан ерекшеленетінін көрсетеді. Бүгінде YUV термині компьютер индустриясында YCbCr арқылы кодталған түс кеңістіктерін сипаттау үшін кеңінен қолданылады. Телевизиялық форматтарда түс ақпараты (U және V) жеке субтасымалдаушы арқылы қосылды, соның арқасында қара-ақ қабылдағыш түсті хабарды қабылдағыштың қара-ақ форматында қабылдап, көрсетуге қабілетті болды, қосымша тарату ені қажет болмады. Этимологиялық тұрғыдан алғанда, Y, Y′, U және V аббревиатуралар емес. Y әрпін жарықтық үшін қолдану XYZ негізгі түстерін таңдаумен байланысты болуы мүмкін. Бұл люмадағы (Y′) сол әріпті пайдалануға ыңғайлы жағдай жасады, ол жарықтықтың сезімдік біркелкі коррелятын шамалайды. Сол сияқты, U және V басқа кеңістіктердегі, мысалы, x және y хроматикалық кеңістіктегі U және V осінен ажырату үшін таңдалды. Төмендегі теңдеулерге қараңыз немесе математиканың тарихи дамуын салыстырыңыз.

Байланысты түстер үлгілері

Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr және т.б. терминдердің қолданылу саласы кейде күмәнді және бір-бірімен толысады. Y′UV – PAL жүйесінде қолданылатын бөліну. Y'PbPr – компоненттік видеода қолданылатын бөліну. Y′CbCr – MPEG және JPEG сияқты бейне және кескінді сығу және тарату форматтарына жарамды Y'PbPr кез келген цифрлық кодтау. Оларға қара-ақ (B&W) теледидармен үйлесімді, бірақ түс қосуға мүмкіндік беретін сигнал беру әдісі қажет болды. Лума компоненті бұрыннан-ақ қара-ақ сигнал ретінде болды, олар оған шешім ретінде UV сигналын қосты. U және V түс айырмашылығы сигналдары болғандықтан, тура R және B сигналдарына қарағанда хроминанстың UV ұсынылымы таңдалды. Басқаша айтқанда, U және V сигналдары теледидарға жарықтығын өзгертпей, белгілі бір нүктенің түсін өзгертуді айтады. Немесе U және V сигналдары мониторға бір түсті екіншісінің есебінен жарық етуді және қаншалықты өзгерту керектігін айтады. U және V мәндері жоғары (немесе теріс болғанда төмен) болған сайын, нүкте соғұрлым қанық (түсті) болады. U және V мәндері нөлге жақын болған сайын, түс аз өзгертіледі, яғни қызыл, жасыл және көк жарықтар шамамен бірдей жарық болып, сұр түсті нүкте пайда болады. Бұл түс айырмашылығы сигналдарын пайдаланудың артықшылығы, яғни түстің қаншалықты қызыл екенін айтудың орнына, ол жасыл немесе көк түске қарағанда қаншалықты қызыл екенін көрсетеді. Бұл өз кезегінде U және V сигналдары нөлге тең немесе болмаған жағдайда тек сұр түсті бейне көрсетіледі дегенді білдіреді. Егер R және B қолданылса, олардың B&W көрінісінде де нөлдік емес мәндері болар еді, бұл үш дерек тасымалдайтын сигналды қажет етеді. Бұл түсті теледидардың алғашқы күндерінде маңызды болды, өйткені ескі қара-ақ теледидар сигналдарында U және V сигналдары болмады, сондықтан түсті теледидар оны қораптан шығарғанда B&W теледидар ретінде көрсетті. Сонымен қатар, қара-ақ қабылдағыштар Y′ сигналын қабылдай алады және U және V түс сигналдарын елемейтін болады, бұл Y′UV-ді барлық қара-ақ жабдықтармен, кіріс және шығыспен кері үйлесімді етеді. Егер түсті теледидар стандарты түс айырмашылығы сигналдарын қолданбаса, түсті теледидар B&W хабарларын дұрыс емес түстермен көрсетуі мүмкін немесе B&W сигналын түске аудару үшін қосымша схемалар қажет болар еді. Хроминанстық арнаға тар жолақты бөлу қажет болды, өйткені қосымша жолақтың мүмкіндігі болмады. Егер жарық берудің бір бөлігі хроминанстық арна арқылы келсе (RB сигналдары дифференциалдық UV сигналдарының орнына қолданылса), B&W ажыратымдылығы нашарлап кетер еді.

The scope of the terms Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr, etc., is sometimes ambiguous and overlapping. Y′UV is the separation used in PAL. Y'PbPr is the separation used in component video. Y′CbCr is any digital encoding of Y'PbPr suited for video and image compression and transmission formats such as MPEG and JPEG. They needed a signal transmission method that was compatible with black and white (B&W) TV while being able to add color. The luma component already existed as the black and white signal; they added the UV signal to this as a solution. The UV representation of chrominance was chosen over straight R and B signals because U and V are color difference signals. In other words, the U and V signals tell the television to shift the color of a certain spot without altering its brightness. Or the U and V signals tell the monitor to make one color brighter at the cost of the other and by how much it should be shifted. The higher (or the lower when negative) the U and V values are, the more saturated (colorful) the spot gets. The closer the U and V values get to zero, the lesser it shifts the color meaning that the red, green and blue lights will be more equally bright, producing a greyer spot. This is the benefit of using color difference signals, i. e. instead of telling how much red there is to a color, it tells by how much it is more red than green or blue. In turn this meant that when the U and V signals would be zero or absent, it would just display a greyscale image. If R and B were to have been used, these would have non zero values even in a B&W scene, requiring all three data carrying signals. This was important in the early days of color television, because old black and white TV signals had no U and V signals present, meaning the color TV would just display it as B&W TV out of the box. In addition, black and white receivers could take the Y′ signal and ignore the U and V color signals, making Y′UV backward compatible with all existing black and white equipment, input and output. If the color TV standard wouldn't have used color difference signals, it could mean a color TV would make funny colors out of a B&W broadcast or it would need additional circuitry to translate the B&W signal to color. It was necessary to assign a narrower bandwidth to the chrominance channel because there was no additional bandwidth available. If some of the luminance information arrived via the chrominance channel (as it would have if RB signals were used instead of differential UV signals), B&W resolution would have been compromised.

BT.709 HDTV-мен

HDTV үшін ATSC, SDTV жүйесінде бұрын таңдалған мәндермен салыстырғанда WR және WB үшін негізгі мәндерді өзгертуді шешті. HDTV үшін бұл мәндер Rec. 709 стандартында келтірілген. Бұл шешім Y′UV↔RGB түрлендіру матрицасына да әсер етті, сондықтан оның элементтері де сәл өзгеше болды. Нәтижесінде, SDTV және HDTV үшін кез келген RGB үштігіне екі түрлі Y′UV бейнелеуі мүмкін: SDTV Y′UV және HDTV Y′UV. Бұл, егер SDTV мен HDTV арасында тікелей түрлендіру жасалса, luma (Y′) ақпараты шамамен бірдей болады, бірақ хрома (U & V) арнасының ақпаратын түрлендіру қажет етеді дегенді білдіреді. CIE 1931 түсті кеңістігінде Rec. 709 түсті кеңістігі Rec. 601-ге шамамен ұқсас және 35,9% жабады. Ал UHDTV, Rec. 2020 стандартымен салыстырғанда, әлдеқайда үлкен аумақты қамтиды, сондықтан YCbCr үшін оның жеке матрицасы жасалды (аналогты теледидар тоқтатылғаннан бері YUV/Y′UV қолданылмайды). BT.709 осы салмақ коэффициенттерін анықтайды:

Жоғарыдағы және мәндерінен. BT.709 аналогтық түрі үшін түрлендіру матрицалары осылар, бірақ олардың тәжірибеде қолданылғанына дәлел жоқ (оның орнына BT.709-дың нақты сипатталған түрі ғана қолданылады, YCbCr түрі):

Жалпы жарық/хроминанс жүйелері

Люма/хрома жүйелерінің, мысалы Y′UV және оның туыстары Y′IQ және YDbDr басты артықшылығы – олардың қара-ақ аналогты теледидармен үйлесімділігін сақтауы (көбінесе Жорж Валенсидің еңбегінің нәтижесі). Y′ арнасы қара-ақ камералар тіркеген барлық деректерді сақтайды, сондықтан ол ескі монохромды дисплейлерде қабылдауға жарамды сигналды қамтамасыз етеді. Бұл жағдайда U және V сигналдары қарапайым түрде жойылады. Егер түсті көрсету қажет болса, барлық үш арна қолданылады және бастапқы RGB ақпараты декодталады. Y′UV-тің тағы бір артықшылығы – жолақтың енін азайту үшін кейбір ақпаратты жою мүмкіндігі. Адам көзі түске өте сезімтал емес: жарықтық арнасының жарықтығы туралы ақпараттың дәлдігі, екінші екі арнаға қарағанда, бейненің ерекшеленуіне әлдеқайда зор әсер етеді. Адамның осы кемшілігін ескере отырып, NTSC және PAL сияқты стандарттар хроминанстық арналардың жолақтығын айтарлықтай азайтады. (Жолақтың ені уақыт доменінде, бірақ бейне сканерленгенде кеңістік доменіне ауысады.) Сондықтан алынған U және V сигналдарын айтарлықтай «сығуға» болады. NTSC (Y′IQ) және PAL жүйелерінде хроминанс сигналдарының жолақтығы люминансқа қарағанда әлдеқайда тар. NTSC-тің алғашқы нұсқалары бір-біріне қосылғандай көрінуі үшін бірдей бейне аймақтарындағы белгілі бір түстерді жылдам ауыстырды, ал барлық қазіргі аналогты және тіпті көптеген цифрлық бейне стандарттары кескіннің түсті ақпаратын төмендеу ажыратымдылықта жазып, хромалық субдискретизацияны қолданады. Жарықтық ақпаратына қарағанда тек жартысы ғана көлденең ажыратымдылығы сақталады (4:2:2 хромалық субдискретизациясы деп аталады), ал тік ажыратымдылығы көбінесе жартысына дейін азаяды (4:2:0 береді). 4:x:x стандарты ең алғашқы түсті NTSC стандартының 4:1:1 хромалық субдискретизациясын (көлденең түс ажыратымдылығы төрттен біріне дейін азаяды, ал тік ажыратымдылығы толық) пайдалануына байланысты қабылданды, сондықтан бейне жарықтық ажыратымдылығына қарағанда тек төрттен бір бөлігін ғана түс ақпаратын береді. Бүгінде тек сығылмайтын сигналдарды өңдейтін жоғары сапалы жабдықтар ғана жарықтық және түс ақпараты үшін бірдей ажыратымдылықты қолданатын 4:4:4 хромалық субдискретизациясын қолданады. I және Q осьтері адам көзіне қажетті жолақтың еніне сәйкес таңдалды, бір ось жолақтың енін қажет етеді, ал екіншісі (қалай болғанда да 90 градуста) ең аз. Алайда, I және Q демодуляциясы салыстырмалы түрде күрделірек болды, екі аналогтық кешіктіру желісін қажет етті, ал NTSC қабылдағыштары оны сирек қолданды. Дегенмен, бұл түс модуляциясы стратегиясы жоғалтуға бейім, әсіресе аналогты жабдықта (цифрлық сигналды беру үшін RCA ұңғыштарын қоса алғанда), лумадан хроманы таситын сымға және керісінше, себебі олар тек аналогты композиттік бейне, яғни YUV, YIQ немесе тіпті CVBS тасиды. Сонымен қатар, NTSC және PAL түсті сигналдарды жоғары жолақты хрома және люма сигналдарын бір-бірімен араластыратын тәсілмен кодтайды, бұл қара-ақ теледидар жабдықтарымен кері үйлесімділікті сақтауға бағытталған, нәтижесінде нүктелік бұзылыстар мен қиылысқан түс артефакттары пайда болады. NTSC стандарты 1950 жылдары құрылған кезде, бұл нақты алаңдаушылық тудырмады, өйткені бейне сапасы монитор жабдықтарымен шектелген, ал қабылданған шектеулі жолақты сигнал емес. Бірақ бүгінгі заманғы теледидар осы жоғалту сигналдарында бар ақпараттан гөрі көп ақпаратты көрсетуге қабілетті. Жаңа дисплей технологияларының мүмкіндіктерімен қатар жүру үшін 1970 жылдардың соңынан бастап SCART (1977) және S Video (1987) сияқты қосылыстар арқылы бейнелерді беру кезінде Y′UV сигналын сақтауға бағытталған әрекеттер жасалды. Y′UV орнына Y′CbCr MPEG 2 сияқты (цифрлық) жалпы бейне қысу алгоритмдерінің стандартты форматы ретінде қолданылды. Цифрлық теледидар және DVD дискілері өздерінің сығылған бейне ағындарын MPEG 2 форматында сақтайды, бұл толық анықталған Y′CbCr түсті кеңістікті қолданады, бірақ хромалық субдискретизацияның қалыптасқан процесін сақтайды. Cinepak, 1991 жылғы бейне кодегі өзгертілген YUV 4:2:0 түсті кеңістігін қолданды. Кәсіби CCIR 601 цифрлық бейне форматы да Y′CbCr-ді 4:2:2 жалпы хромалық субдискретизация жылдамдығымен, негізінен алдыңғы аналогтық бейне стандарттарымен үйлесімділік үшін пайдаланады. Бұл ағынды кез келген қажетті шығыс форматына оңай араластыруға болады. Y′UV абсолютті түс кеңістігі емес. Бұл RGB ақпаратын кодтау тәсілі, ал нақты көрсетілген түс сигналды көрсету үшін қолданылатын нақты RGB бояғыштарына байланысты. Сондықтан Y′UV ретінде көрсетілген мән тек стандартты RGB бояғыштар қолданылса ғана болжауға болады (яғни негізгі түстердің белгіленген жиынтығы немесе қызыл, жасыл және көк түстердің белгілі бір жиынтығы). Сонымен қатар, RGB (не BT.601, не Rec.709) түстер мен жарықтылық диапазоны (түс гаммасы мен түс көлемі) Y′UV-қа қарағанда әлдеқайда кішкентай. Бұл Y′UV (немесе Y′CbCr) ақпарынан RGB-ға түрлендірілгенде өте маңызды, өйткені жоғарыдағы формулалар «жарамсыз» RGB мәндерін тудыруы мүмкін – яғни, 0%-дан төмен немесе диапазонның 100%-дан әлдеқайда жоғары мәндер (мысалы, теледидарлар мен HD контенті үшін стандартты 16–235 жарықтық диапазонынан (және 16–240 хромалық диапазонынан) немесе компьютерлерде стандартты ажыратымдылық үшін 0–255-тен тыс). Бұл мәндермен айналыспаса, олар әдетте «қиылады» (яғни, каналдың жарамды диапазонымен шектеледі). Бұл түстің тонына әсер етеді, бұл өте жағымсыз, сондықтан осындай түстерді RGB гаммасына сәйкес ету үшін десатурациялау жақсырақ деп есептеледі. Сол сияқты, RGB белгілі бір бит тереңдігінен YUV-қа бірдей бит тереңдігімен түрлендірілгенде, бірнеше RGB түстері бір Y′UV түсіне айналуы мүмкін, нәтижесінде ақпарат жоғалады.

The primary advantage of luma/chroma systems such as Y′UV, and its relatives Y′IQ and YDbDr, is that they remain compatible with black and white analog television (largely due to the work of Georges Valensi). The Y′ channel saves all the data recorded by black and white cameras, so it produces a signal suitable for reception on old monochrome displays. In this case, the U and V are simply discarded. If displaying color, all three channels are used, and the original RGB information can be decoded. Another advantage of Y′UV is that some of the information can be discarded in order to reduce bandwidth. The human eye has fairly little spatial sensitivity to color: the accuracy of the brightness information of the luminance channel has far more impact on the image detail discerned than that of the other two. Understanding this human shortcoming, standards such as NTSC and PAL reduce the bandwidth of the chrominance channels considerably. (Bandwidth is in the temporal domain, but this translates into the spatial domain as the image is scanned out.) Therefore, the resulting U and V signals can be substantially "compressed". In the NTSC (Y′IQ) and PAL systems, the chrominance signals had significantly narrower bandwidth than that for the luminance. Early versions of NTSC rapidly alternated between particular colors in identical image areas to make them appear adding up to each other to the human eye, while all modern analogue and even most digital video standards use chroma subsampling by recording a picture's color information at reduced resolution. Only half the horizontal resolution compared to the brightness information is kept (termed 4:2:2 chroma subsampling), and often the vertical resolution is also halved (giving 4:2:0). The 4:x:x standard was adopted due to the very earliest color NTSC standard which used a chroma subsampling of 4:1:1 (where the horizontal color resolution is quartered while the vertical is full resolution) so that the picture carried only a quarter as much color resolution compared to brightness resolution. Today, only high end equipment processing uncompressed signals uses a chroma subsampling of 4:4:4 with identical resolution for both brightness and color information. The I and Q axes were chosen according to bandwidth needed by human vision, one axis being that requiring the most bandwidth, and the other (fortuitously at 90 degrees) the minimum. However, true I and Q demodulation was relatively more complex, requiring two analog delay lines, and NTSC receivers rarely used it. However, this color modulation strategy is lossy, particularly because of crosstalk from the luma to the chroma carrying wire, and vice versa, in analogue equipment (including RCA connectors to transfer a digital signal, as all they carry is analogue composite video, which is either YUV, YIQ, or even CVBS). Furthermore, NTSC and PAL encoded color signals in a manner that causes high bandwidth chroma and luma signals to mix with each other in a bid to maintain backward compatibility with black and white television equipment, which results in dot crawl and cross color artifacts. When the NTSC standard was created in the 1950s, this was not a real concern since the quality of the image was limited by the monitor equipment, not the limited bandwidth signal being received. However today's modern television is capable of displaying more information than is contained in these lossy signals. To keep pace with the abilities of new display technologies, attempts were made since the late 1970s to preserve more of the Y′UV signal while transferring images, such as SCART (1977) and S Video (1987) connectors. Instead of Y′UV, Y′CbCr was used as the standard format for (digital) common video compression algorithms such as MPEG 2. Digital television and DVDs preserve their compressed video streams in the MPEG 2 format, which uses a fully defined Y′CbCr color space, although retaining the established process of chroma subsampling. Cinepak, a video codec from 1991, used a modified YUV 4:2:0 colorspace. The professional CCIR 601 digital video format also uses Y′CbCr at the common chroma subsampling rate of 4:2:2, primarily for compatibility with previous analog video standards. This stream can be easily mixed into any output format needed. Y′UV is not an absolute color space. It is a way of encoding RGB information, and the actual color displayed depends on the actual RGB colorants used to display the signal. Therefore, a value expressed as Y′UV is only predictable if standard RGB colorants are used (i. e. a fixed set of primary chromaticities, or particular set of red, green, and blue). Furthermore, the range of colors and brightnesses (known as the color gamut and color volume) of RGB (whether it be BT.601 or Rec.709) is far smaller than the range of colors and brightnesses allowed by Y′UV. This can be very important when converting from Y′UV (or Y′CbCr) to RGB, since the formulas above can produce "invalid" RGB values – i. e., values below 0% or very far above 100% of the range (e. g., outside the standard 16–235 luma range (and 16–240 chroma range) for TVs and HD content, or outside 0–255 for standard definition on PCs). Unless these values are dealt with they will usually be "clipped" (i. e., limited) to the valid range of the channel affected. This changes the hue of the color, which is very undesirable, so it is therefore often considered better to desaturate the offending colors such that they fall within the RGB gamut. Likewise, when RGB at a given bit depth is converted to YUV at the same bit depth, several RGB colors can become the same Y′UV color, resulting in information loss.

Y′CbCr-мен байланысы

Y′UV көбінесе YCbCr термині ретінде қолданылады. Дегенмен, олар байланысты болғанымен, әртүрлі масштабтағы факторлары бар екі түрлі формат. Photo CD-нің PhotoYCC форматында масштабталмаған матрица қолданылады. U және V – оң немесе теріс мән алуы мүмкін екіполюсті сигналдар, ал сұр түстер үшін олардың мәні нөлге тең. Ал YCbCr әдетте барлық каналдарды 16–235 немесе 0–255 диапазонына дейін масштабтайды, бұл Cb және Cr шамаларын оң мәнді етеді, олар сұр түстер үшін 128-ге тең болады. Бірақ, стандартты жағдайда олардың арасындағы байланыс қарапайым. Атап айтқанда, екеуінің де Y' каналдары бір-бірімен сызықтық байланыста, Cb және U екеуі де (B – Y) арақатынасына сызықтық байланысты, ал Cr және V екеуі де (R – Y) арақатынасына сызықтық байланысты.