Хроматичность в видео и изображениях: объяснение сигналов цвета (U, V, YUV, Y'CbCr). Разделение яркости и цвета для передачи изображения. SEO-оптимизация.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Цвет в изображении или видео
Colour in an image or video
Хроминанс (сокращенно хрома или C) — это сигнал, используемый в видеосистемах для передачи информации о цвете изображения (см. цветовую модель YUV), отдельно от сопровождающего его сигнала яркости (или Y' сокращенно). Хроминанс обычно представляется двумя компонентами цветоразностной составляющей: U = B′ − Y′ (синий − яркость) и V = R′ − Y′ (красный − яркость). К каждой из этих компонент могут применяться масштабные коэффициенты и смещения, как это определено соответствующим видеостандартом. В композитных видеосигналах сигналы U и V модулируют цветовой поднесущий сигнал, и результат называется сигналом хроминанса; фаза и амплитуда этого модулированного сигнала хроминанса приблизительно соответствуют тону и насыщенности цвета. В цифровом видео и цветовых пространствах неподвижных изображений, таких как Y′CbCr, компоненты яркости и хроминанса являются цифровыми значениями дискретизации. Разделение цветовых сигналов RGB на яркость и хроминанс позволяет независимо определять полосу пропускания для каждого из них. Как правило, полоса пропускания хроминанса уменьшается в аналоговом композитном видео за счет уменьшения полосы пропускания модулированного цветового поднесущего, а в цифровых системах — за счет понижения дискретизации цветности.
Chrominance (chroma or C for short) is the signal used in video systems to convey the color information of the picture (see YUV color model), separately from the accompanying luma signal (or Y' for short). Chrominance is usually represented as two color difference components: U = B′ − Y′ (blue − luma) and V = R′ − Y′ (red − luma). Each of these different components may have scale factors and offsets applied to it, as specified by the applicable video standard. In composite video signals, the U and V signals modulate a color subcarrier signal, and the result is referred to as the chrominance signal; the phase and amplitude of this modulated chrominance signal correspond approximately to the hue and saturation of the color. In digital video and still image color spaces such as Y′CbCr, the luma and chrominance components are digital sample values. Separating RGB color signals into luma and chrominance allows the bandwidth of each to be determined separately. Typically, the chrominance bandwidth is reduced in analog composite video by reducing the bandwidth of a modulated color subcarrier, and in digital systems by chroma subsampling.
История
Идея передачи цветного телевизионного сигнала с чётко разделенными компонентами яркости и цветности принадлежит Жоржу Валенси, который запатентовал её в 1938 году. В заявке на патент Валенси описал:
The idea of transmitting a color television signal with distinct luma and chrominance components originated with Georges Valensi, who patented the idea in 1938. Valensi's patent application described:
Использование двух каналов, один для передачи основного цвета (сигнал T), а другой – средней яркости (сигнал t), передаваемых с одного телевизионного передатчика и принимаемых не только цветными телевизионными приемниками, оснащенными необходимым, но более дорогим оборудованием, но и обычными, более распространенными и доступными телевизионными приемниками, воспроизводящими изображения только в черно-белом цвете. Предыдущие системы цветного телевидения, несовместимые с существующими монохромными приемниками, передавали RGB-сигналы различными способами.
The use of two channels, one transmitting the predominating color (signal T), and the other the mean brilliance (signal t) output from a single television transmitter to be received not only by color television receivers provided with the necessary more expensive equipment, but also by the ordinary type of television receiver which is more numerous and less expensive and which reproduces the pictures in black and white only. Previous schemes for color television systems, which were incompatible with existing monochrome receivers, transmitted RGB signals in various ways.
Телевизионные стандарты
В аналоговом телевидении цветовая информация (хроминанс) кодируется в видеосигнал с использованием частоты поднесущей. В зависимости от видеостандарта, поднесущая цветовой информации может быть амплитудно-квадратурно модулированной (NTSC и PAL) или частотно модулированной (SECAM). В системе PAL цветная поднесущая находится на 4,43 МГц выше видеонесущей, а в системе NTSC – на 3,58 МГц выше видеонесущей. Стандарты NTSC и PAL являются наиболее распространенными, хотя существуют и другие видеостандарты, использующие различные частоты поднесущих. Например, PAL M (Бразилия) использует поднесущую на частоте 3,58 МГц, а SECAM – две разные частоты: 4,250 МГц и 4,40625 МГц выше видеонесущей. Наличие цветовой информации в видеосигнале указывается цветовым импульсом, передаваемым на обратном интервале развертки, сразу после горизонтальной синхронизации и перед началом каждой строки видео. Если бы этот цветовой импульс был виден на экране телевизора, он выглядел бы как вертикальная полоса очень тёмного оливкового цвета. В NTSC и PAL цветовой тон представлен сдвигом фазы сигнала цветовой информации относительно цветового импульса, а насыщенность определяется амплитудой поднесущей. В SECAM сигналы (R′ – Y′) и (B′ – Y′) передаются поочередно, и фаза не имеет значения. Цветовая информация представлена цветовой плоскостью U V в видеосигналах PAL и SECAM, а цветовой плоскостью I Q – в NTSC.
In analog television, chrominance is encoded into a video signal using a subcarrier frequency. Depending on the video standard, the chrominance subcarrier may be either quadrature amplitude modulated (NTSC and PAL) or frequency modulated (SECAM). In the PAL system, the color subcarrier is 4.43 MHz above the video carrier, while in the NTSC system it is 3.58 MHz above the video carrier. The NTSC and PAL standards are the most commonly used, although there are other video standards that employ different subcarrier frequencies. For example, PAL M (Brazil) uses a 3.58 MHz subcarrier, and SECAM uses two different frequencies, 4.250 MHz and 4.40625 MHz above the video carrier. The presence of chrominance in a video signal is indicated by a color burst signal transmitted on the back porch, just after horizontal synchronization and before each line of video starts. If the color burst signal were visible on a television screen, it would appear as a vertical strip of a very dark olive color. In NTSC and PAL, hue is represented by a phase shift of the chrominance signal relative to the color burst, while saturation is determined by the amplitude of the subcarrier. In SECAM (R′ − Y′) and (B′ − Y′) signals are transmitted alternately and phase does not matter. Chrominance is represented by the U V color plane in PAL and SECAM video signals, and by the I Q color plane in NTSC.
Цифровые системы
Цифровые видео- и фотосистемы иногда используют разложение на яркость и цветность (лума/хрома) для повышения эффективности сжатия. Например, при сжатии обычного цифрового изображения RGB с использованием стандарта JPEG цветовое пространство RGB сначала преобразуется (с помощью матрицы вращения) в цветовое пространство YCbCr, поскольку три компоненты в этом пространстве обладают меньшей коррелированной избыточностью, а компоненты цветности могут быть затем подвергнуты понижению дискретизации в 2 или 4 раза для дальнейшего сжатия изображения. При распаковке пространство Y′CbCr снова преобразуется в RGB.
Digital video and digital still photography systems sometimes use a luma/chroma decomposition for improved compression. For example, when an ordinary RGB digital image is compressed via the JPEG standard, the RGB color space is first converted (by a rotation matrix) to a YCbCr color space, because the three components in that space have less correlation redundancy and because the chrominance components can then be subsampled by a factor of 2 or 4 to further compress the image. On decompression, the Y′CbCr space is rotated back to RGB.