Цветовая модель YUV в стандарте PAL

Введение

Математическая цветовая модель – аналоговое цветовое кодирование, используемое в PAL.

Y′UV, также записывается как YUV, – цветовая модель, используемая в аналоговом стандарте цветного телевидения PAL (за исключением PAL N). Цвет описывается компонентом Y′ (люма) и двумя цветовыми компонентами U и V. Апостроф (') указывает на то, что люма вычисляется на основе RGB-входа с гамма-коррекцией и отличается от истинной яркости. В настоящее время термин YUV обычно используется в компьютерной индустрии для описания цветовых пространств, кодируемых с использованием YCbCr. В телевизионных форматах цветовая информация (U и V) добавлялась отдельно посредством поднесущей, чтобы черно-белый приемник мог по-прежнему принимать и отображать цветную передачу в своем собственном черно-белом формате, без необходимости увеличения полосы пропускания. Что касается этимологии, Y, Y′, U и V не являются аббревиатурами. Использование буквы Y для обозначения яркости восходит к выбору XYZ-примарных цветов. Это естественно привело к использованию той же буквы в люме (Y′), который является приближением перцептивно однородной корреляции яркости. Аналогично, U и V были выбраны для различения осей U и V от осей в других цветовых пространствах, таких как x и y. См. уравнения ниже или сравните историческое развитие математической теории.

Сопутствующие цветные модели

Сфера применения терминов Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr и т.д. иногда неоднозначна и перекрывается. Y′UV – разделение, используемое в PAL. Y'PbPr – разделение, используемое в компонентном видео. Y′CbCr – любое цифровое кодирование Y'PbPr, подходящее для видео и изображений в форматах сжатия и передачи, таких как MPEG и JPEG. Требовался метод передачи сигнала, совместимый с черно-белым (B&W) телевидением, но при этом позволяющий добавлять цвет. Компонент яркости (Y) уже существовал как черно-белый сигнал; в качестве решения к нему добавили сигнал UV. Представление хроминанса через UV было выбрано вместо прямых сигналов R и B, поскольку U и V – это сигналы цветовой разности. Иными словами, сигналы U и V указывают телевизору, как сместить цвет определенной точки, не изменяя ее яркость. Или же сигналы U и V говорят монитору сделать один цвет ярче за счет другого и на сколько именно. Чем выше (или ниже, при отрицательных значениях) значения U и V, тем более насыщенным (цветным) становится участок изображения. Чем ближе значения U и V к нулю, тем меньше происходит смещение цвета, то есть красный, зеленый и синий компоненты будут более равномерно яркими, создавая более серый участок. В этом преимущество использования сигналов цветовой разности: вместо того, чтобы указывать количество красного в цвете, указывается, насколько он краснее зеленого или синего. Соответственно, если сигналы U и V будут равны нулю или отсутствовать, будет отображаться изображение в оттенках серого. Если бы использовались R и B, они имели бы ненулевые значения даже в черно-белой сцене, что потребовало бы передачи всех трех сигналов. Это было важно в первые дни цветного телевидения, поскольку старые черно-белые телевизионные сигналы не содержали сигналов U и V, а значит, цветной телевизор сразу отображал их как черно-белое изображение. Кроме того, черно-белые приемники могли принимать сигнал Y′ и игнорировать цветные сигналы U и V, обеспечивая обратную совместимость Y′UV со всем существующим черно-белым оборудованием, включая входы и выходы. Если бы стандарт цветного телевидения не использовал сигналы цветовой разности, цветной телевизор мог бы отображать искаженные цвета при приеме черно-белого вещания или требовал бы дополнительной схемы для преобразования черно-белого сигнала в цветной. Было необходимо ограничить полосу пропускания канала хроминанса, поскольку дополнительной полосы пропускания не было. Если бы часть информации о яркости передавалась через канал хроминанса (как это было бы при использовании сигналов RB вместо дифференциальных сигналов UV), разрешение черно-белого изображения было бы снижено.

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.

HDTV с BT.709

Для HDTV ATSC приняла решение изменить базовые значения WR и WB по сравнению с ранее выбранными значениями в системе SDTV. Для HDTV эти значения определены в Rec. 709. Это решение также повлияло на матрицу преобразования Y′UV в RGB, в результате чего значения её элементов также немного отличаются. Таким образом, для SDTV и HDTV обычно существуют два различных представления Y′UV для любой цветовой триады RGB: Y′UV для SDTV и Y′UV для HDTV. Это означает, что при прямом преобразовании между SDTV и HDTV информация о яркости (Y′) остаётся примерно одинаковой, но представление информации о цветности (U и V) требует преобразования. При этом, в пределах цветового пространства CIE 1931, цветовое пространство Rec. 709 почти идентично Rec. 601 и охватывает 35,9%. В отличие от этого, UHDTV с Rec. 2020 охватывает гораздо большую область, и поэтому для YCbCr была разработана собственная матрица (вместо YUV/Y′UV, поскольку аналоговое телевидение было выведено из эксплуатации). BT.709 определяет следующие весовые коэффициенты:

Матрицы преобразования для аналоговой формы BT.709 следующие, однако нет доказательств того, что они когда-либо использовались на практике (вместо этого используется фактически описанная форма BT.709, форма YCbCr):

Системы освещенности/хроминансы в целом

Основным преимуществом систем luma/chroma, таких как Y′UV и их производных Y′IQ и YDbDr, является их совместимость с черно-белым аналоговым телевидением (во многом благодаря работам Жоржа Валенси). Канал Y′ сохраняет все данные, регистрируемые черно-белыми камерами, что позволяет создавать сигнал, пригодный для приема на старых монохромных дисплеях. В этом случае компоненты U и V просто отбрасываются. При отображении цвета используются все три канала, и исходная информация RGB может быть декодирована. Другое преимущество Y′UV заключается в возможности отбрасывания части информации для уменьшения полосы пропускания. Человеческий глаз обладает относительно низкой пространственной чувствительностью к цвету: точность информации о яркости в канале Y′ оказывает гораздо большее влияние на детализацию изображения, чем точность двух других каналов. Учитывая эту особенность человеческого восприятия, стандарты, такие как NTSC и PAL, значительно уменьшают полосу пропускания каналов цветности. (Полоса пропускания относится к временной области, но переходит в пространственную область при развертке изображения.) Следовательно, полученные сигналы U и V могут быть существенно "сжаты". В системах NTSC (Y′IQ) и PAL полоса пропускания сигналов цветности значительно уже, чем полоса пропускания сигнала яркости. Ранние версии NTSC быстро чередовали определенные цвета в идентичных областях изображения, чтобы они казались суммирующимися для человеческого глаза, в то время как все современные аналоговые и большинство цифровых видео стандартов используют цветоподвыборку, записывая цветовую информацию изображения с пониженным разрешением. Сохраняется лишь половина горизонтального разрешения по сравнению с информацией о яркости (это называется цветоподвыборкой 4:2:2), а часто и вертикальное разрешение также уменьшается вдвое (что дает 4:2:0). Стандарт 4:x:x был принят из-за самого раннего цветного стандарта NTSC, который использовал цветоподвыборку 4:1:1 (где горизонтальное цветовое разрешение уменьшается в четыре раза, а вертикальное остается полным), чтобы изображение содержало лишь четверть цветового разрешения по сравнению с разрешением яркости. Сегодня только высококлассное оборудование, обрабатывающее несжатые сигналы, использует цветоподвыборку 4:4:4 с одинаковым разрешением как для яркости, так и для цветности. Оси I и Q были выбраны в соответствии с полосой пропускания, необходимой для человеческого зрения: одна ось требует наибольшей полосы пропускания, а другая (случайно под углом 90 градусов) – минимальной. Однако истинная демодуляция I и Q была относительно сложнее, требуя двух аналоговых линий задержки, и приемники NTSC редко использовали ее. Эта стратегия цветовой модуляции является с потерями, особенно из-за перекрестных помех от канала яркости к каналу цветности и наоборот в аналоговом оборудовании (включая разъемы RCA для передачи цифрового сигнала, поскольку они передают только аналоговое композитное видео, которое является либо YUV, YIQ, либо даже CVBS). Кроме того, NTSC и PAL кодируют цветные сигналы таким образом, что высокочастотные сигналы яркости и цветности смешиваются друг с другом, чтобы обеспечить обратную совместимость с черно-белым телевизионным оборудованием, что приводит к появлению "точечных артефактов" и искажений цвета. Когда стандарт NTSC был создан в 1950-х годах, это не было серьезной проблемой, поскольку качество изображения ограничивалось оборудованием мониторов, а не ограниченной полосой пропускания принимаемого сигнала. Однако современное телевидение способно отображать больше информации, чем содержится в этих сигналах с потерями. Чтобы соответствовать возможностям новых технологий отображения, с конца 1970-х годов предпринимались попытки сохранить больше информации сигнала Y′UV при передаче изображений, например, с помощью разъемов SCART (1977) и S-Video (1987). Вместо Y′UV в качестве стандартного формата для (цифровых) распространенных алгоритмов сжатия видео использовался Y′CbCr, например, в MPEG 2. Цифровое телевидение и DVD сохраняют свои сжатые видеопотоки в формате MPEG 2, который использует четко определенное цветовое пространство Y′CbCr, хотя и сохраняет установленный процесс цветоподвыборки. Видеокодек Cinepak 1991 года использовал модифицированное цветовое пространство YUV 4:2:0. Профессиональный цифровой видеоформат CCIR 601 также использует Y′CbCr с обычной частотой цветоподвыборки 4:2:2, в основном для совместимости с предыдущими аналоговыми видеостандартами. Этот поток можно легко смешивать 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, предсказуемо только при использовании стандартных красителей RGB (т.е. фиксированного набора основных хроматических координат или определенного набора красного, зеленого и синего цветов). Кроме того, диапазон цветов и яркостей (известный как цветовой охват и цветовой объем) RGB (будь то BT.601 или Rec.709) намного меньше, чем диапазон цветов и яркостей, допускаемых Y′UV. Это может быть очень важно при преобразовании из Y′UV (или Y′CbCr) в RGB, поскольку вышеуказанные формулы могут создавать "недопустимые" значения RGB, то есть значения ниже 0% или значительно выше 100% диапазона (например, за пределами стандартного диапазона яркости 16–235 (и диапазона цветности 16–240) для телевизоров и HD-контента или за пределами 0–255 для стандартного разрешения на ПК). Если эти значения не обрабатываются, они обычно "обрезаются" (т.е. ограничиваются) допустимым диапазоном затронутого канала. Это изменяет оттенок цвета, что крайне нежелательно, поэтому часто считается лучше десатурировать проблемные цвета, чтобы они попадали в цветовой охват RGB. Аналогично, при преобразовании RGB с заданной глубиной бита в YUV с той же глубиной бита несколько цветов RGB могут стать одним и тем же цветом Y′UV, что приведет к потере информации.

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.

Отношение к Y′CbCr

Y′UV часто используется как термин для YCbCr. Однако, хотя они связаны, это разные форматы с различными коэффициентами масштабирования. В PhotoYCC, используемом в Photo CD, применяется не масштабированная матрица. U и V – биполярные сигналы, которые могут быть как положительными, так и отрицательными, и равны нулю для серых оттенков, в то время как YCbCr обычно масштабирует все каналы в диапазоны 16–235 или 0–255, что делает Cb и Cr беззнаковыми величинами, равными 128 для серых оттенков. Тем не менее, связь между ними в стандартном случае проста. В частности, каналы Y' обоих форматов линейно связаны друг с другом, Cb и U линейно связаны с (B – Y), а Cr и V линейно связаны с (R – Y).