YCbCr - 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 '- составляющая яркости, а C _B и C _R - составляющие 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 связанных основных цветов RGB и белой точки. Если базовое цветовое пространство RGB является абсолютным, цветовое пространство Y'CbCr также является абсолютным цветовым пространством ; наоборот, если пространство RGB не определено, то и Y′CbCr тоже. Преобразование определено в ITU-T H.273 . Тем не менее это правило не распространяется на основные цвета DCI-D65, используемые Netflix с матрицей BT.2020-NCL.

Обоснование

Дисплеи с электронно-лучевой трубкой управляются красным, зеленым и синим сигналами напряжения, но эти сигналы RGB неэффективны в качестве представления для хранения и передачи, поскольку 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 воспринимаемую значимую 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, субдискретизированы, сжаты, или иным образом обрабатываются отдельно для повышения эффективности системы.

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

YCbCr

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 различие состоит в том, что YUV предназначен для аналогового телевидения, а YCbCr - для цифрового телевидения, разница также в том, что U _max и V _max в YCbCr оба . ${\ displaystyle {1 \ over 2}}$

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 корректировкой гаммы с использованием трех определенных констант K _R , K _G , и K _B следующим образом:

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

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

Эквивалентная манипуляция с матрицей часто называется «цветовой матрицей»:

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

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 'согласно спецификации (например, MPEG-2 ), 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 в другой диапазон 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» также могут использоваться для расширения номинальной цветовой гаммы , как указано xvYCC .

Значение 235 соответствует максимальному выбросу от черного к белому в размере 255-235 = 20 или 20 / (235-16) = 9,1%, что немного больше теоретического максимального выброса ( Феномен Гиббса ), составляющего около 8,9% от максимальный шаг. Подошва меньше, допуская 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 номинальном диапазоне 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 вне диапазона BT.709.

Преобразование RGB в YCbCr

Преобразование ITU-R BT.601

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 (ITU-R BT.470- 6 основных параметров System M) следующим образом:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {R} & = 0,299 \\ K_ {G} & = 0,587 \ K_ {B} & = 0,114 \ end {align}}}$

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

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

${\ displaystyle {\ begin {align} Y '& = & 0,299 \ cdot R' & + & 0,587 \ cdot G '& + & 0,114 \ cdot B' \\ P_ {B} & = - & 0,168736 \ cdot R '& - & 0.331264 \ cdot G' & + & 0.5 \ cdot B '\\ P_ {R} & = & 0.5 \ cdot R' & - & 0.418688 \ cdot G '& - & 0. 081312 \ cdot B '\ end {align}}}$

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

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

или просто покомпонентно

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

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 представляет белый цвет) в соответствии со следующими уравнениями:

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

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

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

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:

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

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

${\ displaystyle {\ begin {align} R '_ {D} = {\ frac {255} {219}} \ cdot (Y'-16) &&&&&&& + {\ frac {255} {224}} \ cdot 1.402 \ cdot (C_ {R} -128) \\ G '_ {D} = {\ frac {255} {219}} \ cdot (Y'-16) & - & {\ frac {255} {224}} \ cdot 1.772 && \ cdot {\ frac {0.114} {0.587}} && \ cdot (C_ {B} -128) & - {\ frac {255} {224}} \ cdot 1.402 \ cdot {\ frac {0.299} { 0,587}} \ cdot (C_ {R} -128) \\ B '_ {D} = {\ frac {255} {219}} \ cdot (Y'-16) & + & {\ frac {255} { 224}} \ cdot 1.772 &&&& \ cdot (C_ {B} -128) \ конец {выровнено}}}$

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

Рек. 709 по сравнению с Рек. 2020 г.

Другая форма Y'CbCr указана в стандарте ITU-R BT.709 , в первую очередь для использования HDTV . Более новая форма также используется в некоторых приложениях, ориентированных на компьютерные дисплеи, как sRGB (хотя матрица, используемая для формы sRGB YCbCr, sYCC , по-прежнему BT.601). В этом случае значения Kb и Kr различаются, но формулы их использования одинаковы. Для ITU-R BT.709 константами являются:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {B} & = 0,0722 \\ K_ {R} & = 0,2126 \\ (K_ {G} & = 1-K_ {B} -K_ {R} = 0,7152) \ end {выровнено}}}$

Эта форма Y'CbCr основана на модели RGB, которая более точно соответствует характеристикам излучения люминофора новых ЭЛТ и другого современного оборудования для отображения. Матрицы преобразования для BT.709 следующие:

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ begin {bmatrix} Y '\\ Cb \\ Cr \ end {bmatrix}} & = {\ begin {bmatrix} 0,2126 и 0,7152 и 0,0722 \\ - 0,1146 и -0,3854 & 0,5 \\ 0,5 & -0,4542 & -0,0458 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} R '\\ G' \\ B '\ end {bmatrix}} \\ {\ begin {bmatrix} R' \\ G '\\ B' \ end {bmatrix}} & = {\ begin {bmatrix} 1 & 0 & 1.5748 \\ 1 & -0.1873 & -0.4681 \\ 1 & 1.8556 & 0 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} Y '\\ Cb \\ Cr \ end {bmatrix}} \ end {align}}}$

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-строчный, как в NTSC ), и отличаются другими характеристиками. В разных конструкциях есть различия в определениях координат цветности R, G и B, опорной белой точки, поддерживаемого диапазона гаммы, точных функций предварительной компенсации гаммы для получения R ', G' и B 'из R, G и B, а также в масштабировании и смещениях, которые должны 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 измерение яркости (обычно основанное на измерениях реакции зрительной системы человека на цветовые стимулы CIE 1931).

Преобразование ITU-R BT.2020

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 называется YcCbcCrc.

Для обоих коэффициенты равны:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {B} & = 0,0593 \\ K_ {R} & = 0,2627 \ end {align}}}$

Матрица декодирования BT.2020-NCL с 14 знаками после запятой:

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ begin {bmatrix} R \\ G \\ B \ end {bmatrix}} & = {\ begin {bmatrix} 1 & 0 & 1.4746 \\ 1 & -0,16455312684366 & -0,57135312684366 \\ 1 & 1 .8814 & 0 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} Y '\\ Cb \\ Cr \ end {bmatrix}} \ end {выравнивается}}}$

Меньшие значения в матрице не округляются, это точные значения. Для систем с ограниченной точностью (например, 8 или 10 бит) может использоваться более низкая точность указанной выше матрицы, например, с сохранением только 6 цифр после десятичной точки.

YcCbcCrc может использоваться, когда высшим приоритетом является наиболее точное сохранение информации о яркости. Представление цвета 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 закодированная PQ яркость Y из XYZ), тем не менее , YcCbcCrc не обеспечивает постоянной интенсивности (CI), что делается в IC _T C _P . BT.2020 не определяет PQ и, следовательно, HDR, он дополнительно определен в SMPTE ST 2084 и BT.2100 .

Вывод коэффициентов BT.2020 из праймериз BT.2020 еще больше меняет пространство.

Преобразование SMPTE 240M

Стандарт SMPTE 240M определяет YCC с этими коэффициентами:

${\ Displaystyle {\ begin {выравнивается} K_ {B} & = 0,087 \\ K_ {R} & = 0,212 \ end {выравнивается}}}$

Коэффициенты выводятся из основных цветов SMPTE 170M и точки белого, используемых в стандарте 240M.

Преобразование JPEG

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

${\ displaystyle {\ begin {align} Y '& = & 0 & + (0,299 & \ cdot R' _ {D}) & + (0,587 & \ cdot G '_ {D}) & + (0,114 & \ cdot B' _ {D}) \\ C_ {B} & = & 128 & - (0,168736 & \ cdot R '_ {D}) & - (0,331264 & \ cdot G' _ {D}) & + (0,5 & \ cdot B ' _ {D}) \\ C_ {R} & = & 128 & + (0,5 & \ cdot R '_ {D}) & - (0,418688 & \ cdot G' _ {D}) & - (0,081312 & \ cdot B ' _ {D}) \ end {выровнен}}}$

И назад:

${\ displaystyle {\ begin {align} R '_ {D} & = & Y' &&& + 1,402 & \ cdot (C_ {R} -128) \\ G '_ {D} & = & Y' & - 0,344136 & \ cdot (C_ {B} -128) & - 0,714136 & \ cdot (C_ {R} -128) \\ B '_ {D} & = & Y' & + 1.772 & \ cdot (C_ {B} -128) & \ конец {выровнено}}}$

Коэффициенты для основных цветов BT.470-6 System B, G

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {B} & = 0,0713 \\ K_ {R} & = 0,2220 \ end {align}}}$

Эти коэффициенты не используются и никогда не использовались.

Системы яркости на основе цветности

H.273 также описывает системы постоянной и непостоянной яркости, которые получены строго из основных цветов и точки белого, поэтому такие ситуации, как основные цвета sRGB / BT.709 по умолчанию для JPEG, которые используют матрицу BT.601 (которая получена из BT.470- 6 Система М) не бывает.

использованная литература

внешние ссылки

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