YCbCr

Визуализация цветового пространства YCbCr

Плоскость CbCr при постоянной яркости Y ′ = 0,5

Цветное изображение и его компоненты Y ', C _B и C _R. Изображение Y 'по сути является копией основного изображения в оттенках серого.

YCbCr , Y'CbCr или Y Pb / Cb Pr / Cr , также записываемое как YC _B C _R или Y'C _B C _R , представляет собой семейство цветовых пространств, используемых как часть конвейера цветного изображения в видео и цифровой фотографии. системы. Y '- компонент яркости, а C _B и C _R - компоненты цветности синего и красного цветов . Y '(со штрихом) отличается от Y, который представляет собой яркость , что означает, что интенсивность света нелинейно кодируется на основегамма-коррекция основных цветов RGB .

Цветовые пространства Y'CbCr определяются математическим преобразованием координат из связанного цветового пространства RGB . Если базовое цветовое пространство RGB является абсолютным, цветовое пространство Y'CbCr также является абсолютным цветовым пространством ; и наоборот, если пространство RGB не определено, то и Y′CbCr тоже.

Обоснование [ править ]

Дисплеи с электронно-лучевой трубкой управляются сигналами напряжения красного, зеленого и синего цветов , но эти сигналы RGB неэффективны в качестве представления для хранения и передачи, так как они имеют большую избыточность .

YCbCr и Y'CbCr представляют собой практическое приближение к обработке цвета и единообразию восприятия, где основные цвета, примерно соответствующие красному, зеленому и синему, обрабатываются в осмысленную информацию. Таким образом, последующая обработка, передача и хранение изображений / видео могут выполнять операции и вносить ошибки значимыми для восприятия способами. Y'CbCr используется для разделения сигнала яркости (Y '), который может храниться с высоким разрешением или передаваться с высокой пропускной способностью, и двух компонентов цветности (C _B и C _R ), которые могут быть уменьшены в полосе пропускания, субдискретированы, сжаты, или иным образом обрабатываются отдельно для повышения эффективности системы.

Одним из практических примеров может быть уменьшение полосы пропускания или разрешения, выделенного для «цвета» по сравнению с «черно-белым», поскольку люди более чувствительны к черно-белой информации (см. Пример изображения справа). Это называется субдискретизацией цветности .

YCbCr [ править ]

YCbCr иногда сокращается до YCC . Y'CbCr часто называют YPbPr при использовании для аналогового компонентного видео, хотя термин Y'CbCr обычно используется для обеих систем, с штрихом или без него.

Y'CbCr часто путают с цветовым пространством YUV , и обычно термины YCbCr и YUV используются взаимозаменяемо, что приводит к некоторой путанице. Основное отличие в том, что YUV является аналоговым, а YCbCr - цифровым.

Сигналы Y'CbCr (до масштабирования и смещения для преобразования сигналов в цифровую форму) называются YPbPr и создаются из соответствующего источника RGB (красный, зеленый и синий) с гамма-коррекцией с использованием трех определенных констант K _R , K _G , и K _B следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=K_{R}\cdot R'+K_{G}\cdot G'+K_{B}\cdot B'\\P_{B}&={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {B'-Y'}{1-K_{B}}}\\P_{R}&={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {R'-Y'}{1-K_{R}}}\end{aligned}}}$

где K _R , K _G и K _B обычно выводятся из определения соответствующего пространства RGB и должны удовлетворять . ${\displaystyle K_{R}+K_{G}+K_{B}=1}$

Эквивалентное манипулирование матрицей часто называют «цветовой матрицей»:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}Y'\\P_{B}\\P_{R}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}K_{R}&K_{G}&K_{B}\\-{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {K_{R}}{1-K_{B}}}&-{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {K_{G}}{1-K_{B}}}&{\frac {1}{2}}\\{\frac {1}{2}}&-{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {K_{G}}{1-K_{R}}}&-{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {K_{B}}{1-K_{R}}}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}}$

И его обратное:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&0&2-2\cdot K_{R}\\1&-{\frac {K_{B}}{K_{G}}}\cdot (2-2\cdot K_{B})&-{\frac {K_{R}}{K_{G}}}\cdot (2-2\cdot K_{R})\\1&2-2\cdot K_{B}&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}Y'\\P_{B}\\P_{R}\end{bmatrix}}}$

Здесь штрих (') означает , что используется гамма-коррекция ; таким образом, R ', G' и B 'номинально находятся в диапазоне от 0 до 1, где 0 представляет минимальную интенсивность (например, для отображения черного цвета ), а 1 - максимальную (например, для отображения белого цвета ). Результирующее значение яркости (Y) будет иметь номинальный диапазон от 0 до 1, а значения цветности (P _B и P _R ) будут иметь номинальный диапазон от -0,5 до +0,5. Процесс обратного преобразования может быть легко получен путем обращения приведенных выше уравнений.

При представлении сигналов в цифровой форме результаты масштабируются и округляются, и обычно добавляются смещения. Например, масштабирование и смещение, применяемые к компоненту Y 'по спецификации (например, MPEG-2 ^[1] ), приводят к значению 16 для черного и значению 235 для белого при использовании 8-битного представления. В стандарте есть 8-битные оцифрованные версии C _B и C _R, масштабированные до другого диапазона от 16 до 240. Следовательно, изменение масштаба на дробь (235-16) / (240-16) = 219/224 иногда требуется при выполнении цветовая матрица или обработка в пространстве YCbCr, приводящая к искажениям квантования, когда последующая обработка не выполняется с использованием более высоких битовых глубин.

Масштабирование, которое приводит к использованию меньшего диапазона цифровых значений, чем то, что может показаться желательным для представления номинального диапазона входных данных, допускает некоторые «выбросы» и «недолеты» во время обработки без необходимости нежелательного ограничения . Эти « высота » и «потолок» ^[2] также могут использоваться для расширения номинальной цветовой гаммы , как указано xvYCC .

Значение 235 соответствует максимальному выбросу от черного к белому, равному 255 - 235 = 20, или 20 / (235 - 16) = 9,1%, что немного больше теоретического максимального выброса ( Феномен Гиббса ), составляющего около 8,9% от максимальный шаг. Поднос меньше, допускает только 16/219 = 7,3% перерегулирования, что меньше теоретического максимального перерегулирования 8,9%. Но поскольку значения 0 и 255 зарезервированы в HDMI, на самом деле это немного меньше.

Поскольку уравнения, определяющие Y'CbCr, сформированы таким образом, что весь номинальный цветовой куб RGB вращается и масштабируется так, чтобы соответствовать (большему) цветовому кубу YCbCr, в цветовом кубе Y'CbCr есть некоторые точки, которые не могут быть представлены в соответствующий домен RGB (по крайней мере, не в пределах номинального диапазона RGB). Это вызывает некоторые трудности в определении того, как правильно интерпретировать и отображать некоторые сигналы Y'CbCr. Эти значения Y'CbCr вне диапазона используются xvYCC для кодирования цветов за пределами гаммы BT.709.

Преобразование ITU-R BT.601 [ править ]

Форма Y'CbCr, которая была определена для использования телевидения стандартной четкости в стандарте ITU-R BT.601 (ранее CCIR 601 ) для использования с цифровым компонентным видео , получена из соответствующего пространства RGB следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}K_{R}&=0.299\\K_{G}&=0.587\\K_{B}&=0.114\end{aligned}}}$

Из приведенных выше констант и формул для ITU-R BT.601 можно вывести следующее.

Аналог YPbPr из аналога R'G'B 'выводится следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=&0.299\cdot R'&+&0.587\cdot G'&+&0.114\cdot B'\\P_{B}&=-&0.168736\cdot R'&-&0.331264\cdot G'&+&0.5\cdot B'\\P_{R}&=&0.5\cdot R'&-&0.418688\cdot G'&-&0.081312\cdot B'\end{aligned}}}$

Цифровой Y'CbCr (8 бит на выборку) выводится из аналогового R'G'B 'следующим образом:

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=&16&+&(65.481\cdot R'&+&128.553\cdot G'&+&24.966\cdot B')\\C_{B}&=&128&+&(-37.797\cdot R'&-&74.203\cdot G'&+&112.0\cdot B')\\C_{R}&=&128&+&(112.0\cdot R'&-&93.786\cdot G'&-&18.214\cdot B')\end{aligned}}}$

или просто покомпонентно

${\displaystyle {\begin{aligned}(Y',C_{B},C_{R})&=&(16,128,128)+(219\cdot Y,224\cdot P_{B},224\cdot P_{R})\\\end{aligned}}}$

Результирующие сигналы колеблются от 16 до 235 для Y '(Cb и Cr колеблются от 16 до 240); значения от 0 до 15 называются пространством для ног , а значения от 236 до 255 называются запасом .

В качестве альтернативы цифровой Y'CbCr может быть получен из цифрового R'dG'dB'd (8 бит на выборку, каждый из которых использует полный диапазон, где ноль представляет черный цвет, а 255 - белый) согласно следующим уравнениям:

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=&16&+&{\frac {65.481\cdot R'_{D}}{255}}&+&{\frac {128.553\cdot G'_{D}}{255}}&+&{\frac {24.966\cdot B'_{D}}{255}}\\C_{B}&=&128&-&{\frac {37.797\cdot R'_{D}}{255}}&-&{\frac {74.203\cdot G'_{D}}{255}}&+&{\frac {112.0\cdot B'_{D}}{255}}\\C_{R}&=&128&+&{\frac {112.0\cdot R'_{D}}{255}}&-&{\frac {93.786\cdot G'_{D}}{255}}&-&{\frac {18.214\cdot B'_{D}}{255}}\end{aligned}}}$

В приведенной ниже формуле коэффициенты масштабирования умножаются на . Это позволяет использовать значение 256 в знаменателе, которое может быть вычислено с помощью одного битового сдвига .${\displaystyle {\frac {256}{255}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=&16&+&{\frac {65.738\cdot R'_{D}}{256}}&+&{\frac {129.057\cdot G'_{D}}{256}}&+&{\frac {25.064\cdot B'_{D}}{256}}\\C_{B}&=&128&-&{\frac {37.945\cdot R'_{D}}{256}}&-&{\frac {74.494\cdot G'_{D}}{256}}&+&{\frac {112.439\cdot B'_{D}}{256}}\\C_{R}&=&128&+&{\frac {112.439\cdot R'_{D}}{256}}&-&{\frac {94.154\cdot G'_{D}}{256}}&-&{\frac {18.285\cdot B'_{D}}{256}}\end{aligned}}}$

Если цифровой источник R'd G'd B'd включает в себя пространство для ног и высоту для ног, смещение 16 для ног необходимо сначала вычесть из каждого сигнала, а масштабный коэффициент необходимо включить в уравнения.${\displaystyle {\frac {255}{219}}}$

Обратное преобразование:

${\displaystyle {\begin{aligned}R'_{D}&=&{\frac {298.082\cdot Y'}{256}}&&&+&{\frac {408.583\cdot C_{R}}{256}}&-&222.921\\G'_{D}&=&{\frac {298.082\cdot Y'}{256}}&-&{\frac {100.291\cdot C_{B}}{256}}&-&{\frac {208.120\cdot C_{R}}{256}}&+&135.576\\B'_{D}&=&{\frac {298.082\cdot Y'}{256}}&+&{\frac {516.412\cdot C_{B}}{256}}&&&-&276.836\end{aligned}}}$

Обратное преобразование без каких-либо округлений (с использованием значений, взятых непосредственно из рекомендации ITU-R BT.601):

${\displaystyle {\begin{aligned}R'_{D}&=&{\frac {255}{219}}\cdot (Y'-16)&&&&&&&+&{\frac {255}{224}}\cdot 1.402&&&&\cdot (C_{R}-128)\\G'_{D}&=&{\frac {255}{219}}\cdot (Y'-16)&-&{\frac {255}{224}}\cdot 1.772&&\cdot {\frac {0.114}{0.587}}&&\cdot (C_{B}-128)&-&{\frac {255}{224}}\cdot 1.402&&\cdot {\frac {0.299}{0.587}}&&\cdot (C_{R}-128)\\B'_{D}&=&{\frac {255}{219}}\cdot (Y'-16)&+&{\frac {255}{224}}\cdot 1.772&&&&\cdot (C_{B}-128)\end{aligned}}}$

Эта форма Y'CbCr используется в основном для старых телевизионных систем стандартной четкости , поскольку в ней используется модель RGB, которая соответствует характеристикам излучения люминофора старых ЭЛТ .

Преобразование ITU-R BT.709 [ править ]

Другая форма Y'CbCr указана в стандарте ITU-R BT.709 , в первую очередь для использования HDTV . Более новая форма также используется в некоторых компьютерных приложениях, ориентированных на отображение, как sRGB . В этом случае значения Kb и Kr различаются, но формулы их использования одинаковы. Для ITU-R BT.709 константами являются:

${\displaystyle {\begin{aligned}K_{B}&=0.0722\\K_{R}&=0.2126\\(K_{G}&=1-K_{B}-K_{R}=0.7152)\end{aligned}}}$

Эта форма Y'CbCr основана на модели RGB, которая более точно соответствует характеристикам излучения люминофора новых ЭЛТ и другого современного оборудования для отображения.

Определения сигналов R ', G' и B 'также различаются между BT.709 и BT.601 и различаются в BT.601 в зависимости от типа используемой телевизионной системы (625 строк, как в PAL и SECAM или 525 строк как в NTSC) и отличаются другими характеристиками. В различных конструкциях существует различие в определениях R, G, и координата Б цветности, ссылка белой точка, поддерживаемый диапазон цветовой гаммы, точная гамма предкомпенсация функция для получения R «G» и B»из R, G и B, а также в масштабировании и смещениях, которые будут применяться во время преобразования из R'G'B 'в Y'CbCr. Таким образом, правильное преобразование Y'CbCr из одной формы в другую - это не просто вопрос инвертирования одной матрицы и применения другой. Фактически, когда Y'CbCr спроектирован идеально, значения K _B и K _R выводятся из точной спецификации основных цветовых сигналов RGB, так что сигнал яркости (Y ') соответствует как можно ближе к гамма- скорректированное измерениеяркость (обычно на основе измерений реакции зрительной системы человека на цветовые стимулы CIE 1931). ^[3]

Преобразование ITU-R BT.2020 [ править ]

Стандарт ITU-R BT.2020 определяет как Y'CbCr с гамма-коррекцией BT.709, так и использование одной и той же гамма-коррекции (за исключением Y ', который рассчитывается по-другому), но с постоянной яркостью Cb, Cr, называемой YcCbcCrc. ^[4]

Для обоих коэффициенты равны:

${\displaystyle {\begin{aligned}K_{B}&=0.0593\\K_{R}&=0.2627\end{aligned}}}$

YcCbcCrc может использоваться, когда высшим приоритетом является наиболее точное сохранение информации о яркости. ^[4] Цветовое представление имеет истинную постоянную яркость (CL), когда канал яркости (Y 'из Y'CbCr, закодированный с передаточной функцией BT.709 или PQ, например) совпадает с закодированной яркостью (BT.709 или PQ-кодированная яркость Y из XYZ), тем не менее , YcCbcCrc не обеспечивает постоянной интенсивности (CI), что делается в IC T C P . ^{[5] [6]} BT.2020 не определяет PQ , он дополнительно определен в SMPTE ST 2084.

Преобразование SMPTE 240M [ править ]

Стандарт SMPTE 240M определяет YCC с этими коэффициентами:

${\displaystyle {\begin{aligned}K_{B}&=0.087\\K_{R}&=0.212\end{aligned}}}$

Преобразование JPEG [ править ]

JFIF использование JPEG поддерживает модифицированную Rec. 601 Y'CbCr, где Y ', C _B и C _R имеют полный 8-битный диапазон [0 ... 255]. ^[7] Ниже приведены уравнения преобразования, выраженные с точностью до шести десятичных знаков. (Для идеальных уравнений см. ITU-T T.871. ^[8] ) Обратите внимание, что для следующих формул диапазон каждого входа (R, G, B) также является полным 8-битным диапазоном [0 ... 255].

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=&0&+(0.299&\cdot R'_{D})&+(0.587&\cdot G'_{D})&+(0.114&\cdot B'_{D})\\C_{B}&=&128&-(0.168736&\cdot R'_{D})&-(0.331264&\cdot G'_{D})&+(0.5&\cdot B'_{D})\\C_{R}&=&128&+(0.5&\cdot R'_{D})&-(0.418688&\cdot G'_{D})&-(0.081312&\cdot B'_{D})\end{aligned}}}$

И назад:

${\displaystyle {\begin{aligned}R'_{D}&=&Y'&&&+1.402&\cdot (C_{R}-128)\\G'_{D}&=&Y'&-0.344136&\cdot (C_{B}-128)&-0.714136&\cdot (C_{R}-128)\\B'_{D}&=&Y'&+1.772&\cdot (C_{B}-128)&\end{aligned}}}$

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Калькулятор Y'CbCr , включая BT.1886
• Чарльз Пойнтон - Часто задаваемые вопросы о цветах
• Чарльз Пойнтон - видеотехника
• Визуализация цветового пространства
• Энциклопедия журнала PC: YCbCr
• Цветовые пространства YUV, YCbCr, YPbPr.