YUV (Y′UV) — цветовая система, в которой цвет состоит из следующих компонент — яркости (Y) и двух цветоразностных компонент (U и V). Она позволяет учесть одно из свойств человеческого зрения и поэтому используется как промежуточное представление для фото и видео. Фотоаппараты и видеокамеры опираются на систему RGB для преобразования света в электронный сигнал, а телевизоры и мониторы также используют RGB для отображения. Можно хранить видео в RGB и обходиться без дополнительных преобразований, но это менее эффективный путь. Поэтому видео хранят и передают в YUV, в котором возможна цветовая субдискретизация.
Термин имеет два значения: Одна определённая цветоразностная система (luma-chroma system). По строгому определению, Y′UV — это система, используемая в процессе кодирования композитного сигнала в NTSC и PAL. Любая цветоразностная система, «Y’C1C2», «семейство Y′UV»CIELAB вряд ли так назовут, но, например, в стандарте JPEG XR под YUV подразумевается . Другой пример — обозначения субдискретизации вроде «YUV420» вместо «4:2:0».. Когда говорят о цифровом видео и изображениях, обычно имеют в виду один из вариантов Y’CBCR.
Y′UV — это не аббревиатура. Для Y′ можно провести параллель с системой CIE XYZ, а U и V расположены в алфавитном порядке. Y′ называют сигналом яркости (luma), штрих означает гамма-коррекцию. U и V — это цветоразностные сигналы, которые вместе представляют цветность (chroma).
Введение При разработке систем цветного телевидения требовалось сохранить совместимость с чёрно-белыми телевизорами. С этим связано решение дополнить уже имеющийся сигнал яркости Y′ (чёрно-белое изображение) новыми сигналами, которые бы просто игнорировались чёрно-белыми телевизорами.
Яркость складывается из R′, G′ и B′ с учётом чувствительности глаза к разным участкам спектра: (точные значения коэффициентов яркости зависят от цветового пространства)
Можно передавать четыре сигнала, Y′ для чёрно-белых телевизоров и R′, G′, B′ для цветных, но в этом нет необходимости. Вместе с яркостью достаточно передать информацию о двух цветах, а сигнал третьего цвета вычислять, вычитая из Y′ два других:
Этого ещё недостаточно для практического использования. Сигналы R′ и B′ содержат в себе части яркости, то есть они не равны нулю даже для чёрно-белого изображения. Вместо них используют цветоразностные сигналы B′−Y′ и R′−Y′ (буквально «синий минус яркость» и «красный минус яркость»), этот приём — вычитание яркости — улучшает помехоустойчивость аналогового сигнала и совместимость с чёрно-белыми телевизорами, он также актуален для цифрового видео. B′−Y′ и R′−Y′ вместе составляют цветность. Сигналы цветности влияют на насыщенность цвета, но не меняют яркость. Можно считать, что цветность — это «цвет минус яркость». То есть то, что нужно добавить к яркости, чтобы получить полный цвет.
Исключить решили именно G′−Y′, так как зелёный цвет вносит наибольший вклад в яркость и «зелёный минус яркость» оказывается наиболее слабым цветоразностным сигналом из трёх.
Теперь можно говорить о цветовых системах R′G′B′ и [Y′, B′−Y′, R′−Y′] и о преобразованиях между ними.
Прямое преобразование: (о величине коэффициентов яркости здесь)
Обратное преобразование:
Система [Y′, B′−Y′, R′−Y′] только служит основой для других цветоразностных систем — ей не хватает как минимум масштабирования, чтобы компоненты располагались в требуемом диапазоне. Так, лишь разный диапазон значений отличает системы Y′UV, Y′DBDR, Y′PBPR и Y′CBCR: для получения оригинальной системы Y′UV компоненты B′−Y′, R′−Y′ домножаются на коэффициенты, в наиболее распространённой версии Y’CBCR яркость расположена в диапазоне [16; 235], а цветность — в [16; 240] и т. д.
Преимущества Совместимость с чёрно-белыми телевизорами больше не требуется, но у семейства Y′UV есть актуальное преимущество перед R′G′B′. Это возможность «прореживания» цветности, к разрешению которой человек менее чувствителен. Другими словами, человек чётче видит изменения в яркости, чем в цвете, и поэтому разрешение цветности можно понизить. Прореживание в цифровом виде называется цветовой субдискретизацией и играет роль сжатия с потерями: повсеместно используемая субдискретизация 4:2:0 снижает битрейт в два раза. Аналогичные приёмы существуют в аналоговом виде.
Семейство Y′UV остаётся востребованным именно из-за цветовой субдискретизации.
Другое преимущество заключается в меньшей корреляции компонент по сравнению с R′G′B′, что улучшает сжатие.
Оригинальная система Оригинальная система Y′UV, используемая в процессе кодирования композитного сигнала, имеет коэффициенты яркости KR = 0,299, KB = 0,114 (KG = 1 − KR − KB = 0,587). С ними преобразование выглядит следующим образом:
Масштабирующие коэффициенты цветности 0,492 и 0,877 необходимы, чтобы не допускать перегрузки ТВ-передатчика и в то же время не снижать отношение сигнал/шум сигнала яркости. Экспериментально определили, что допустим следующий размах полного сигнала: не более чем на 1/3 выше уровня белого и ниже уровня чёрного, коэффициенты рассчитаны исходя из этого условия. Они до сих пор встречаются в вычислениях, хотя такое ограничение диапазона не играет роли вне систем аналового телевидения.
Коэффициенты для U и V обычно указаны в стандартах с точностью до трёх цифр после запятой, но в новом стандарте NTSC они упомянуты как 0,492111… и 0,877283…, а точные значения также доступны.
Известно, что в NTSC используется цветовая система Y’IQ, однако между NTSC и Y′UV также имеется следующая связь. Систему Y′IQ можно определить через Y′UV: для этого надо поменять местами оси U и V, а также повернуть их на 33 градуса. Идея поворота заключалась в том, чтобы расположить ось вдоль цветов, к изменению которых человек наиболее чувствителен, и дать компоненте бо́льшую полосу пропускания по сравнению с Q. В следующих версиях стандарта от использования неодинаковых полос пропускания отказались (и поворот осей потерял смысл), а для получения композитного сигнала стали также приводить формулу, использующую Y′UV вместо Y′IQ. так пишет о развитии NTSC: «примерно с 1970 года кодирование цвета производится с равнополосными компонентами U и V».
В PAL изначально применяется система Y′UV.
В SECAM применяются другие масштабирующие коэффициенты. Иногда систему именуют по названию цветоразностных сигналов DB и DR.
Цветоразностные системы в целом
Примеры систем [Y′, B′−Y′, R′−Y′] — встречается в вычислениях, основа для других систем. B′−Y′, R′−Y′ — это цветность до какого-либо масштабирования.
Y′UV, Y′IQ, — используются при кодировании композитного сигнала в аналоговом телевидении.
Y′PBPR — используется в аналоговом компонентном видео, цветность и яркость часто имеют одинаковый размах в 700 мВ. Также означает систему, используемую в вычислениях — в ней яркость приведена к диапазону [0; 1], а цветность — к [−0,5; 0,5].
Y′CBCR — используется в цифровом видео, имеет целочисленные значения. В 8-битном варианте яркость лежит в диапазоне [16; 235], а цветность — в [16; 240] (так называемый ограниченный диапазон). В JPEG (и крайне редко в видео) используется полный диапазон [0; 255].
— модификация Y′CBCR, устаревший стандарт с расширенным цветовым охватом.
— преобразование с малой корреляцией между компонентами и улучшенной обратимостью.
— разработка компании Dolby, призванная заменить Y′CBCR в HDR-видео.
На что опираются цветоразностные системы Многие цветоразностные системы отличаются лишь в деталях, так как вместе основываются на B′−Y′ и R′−Y′.
Цветоразностные системы представляют собой лишь способ кодирования RGB-сигнала. Такие системы как Y′CBCR, Y′PBPR, Y′IQ, Y′UV получаются из R′G′B′ с учётом коэффициентов яркости (luma coefficients) и масштабирующих коэффициентов. Чтобы значения цветоразностного пространства однозначно соответствовали определённым цветам (иначе говоря, чтобы оно стало абсолютным цветовым пространством), необходимо определить и исходное пространство R′G′B′ : оно представляет собой линейный RGB после гамма-коррекции с некоторой передаточной характеристикой. А линейное пространство RGB однозначно определяется тремя основными цветами (RGB primaries) и стандартизированной точкой белого, заданными в так называемых хроматических координатах x и y.
Выдержки из текстовых отчётов MediaInfo с метаданными: основные цвета иточка белого (1), функция гамма-коррекции (2) и матричные коэффициенты (3). То есть цветоразностное пространство задаётся: матричными коэффициентами (яркости и масштабирования) И будет абсолютным, если также даны: функция гамма-коррекции основные цвета и точка белого
Отдельно стоят некоторые менее распространённые системы. В Y′CCBCCRC гамма-коррекция применяется на другом этапе, преобразование в проходит через систему LMS, а в цветность не определяется через B′−Y′ и R′−Y′.
Яркость Сигнал яркости Y′ (luma) в цветоразностных системах близок к относительной яркости Y (relative luminance) в системах CIE XYZ и xyY. Коэффициенты для сигнала яркости рассчитываются так же, как для относительной яркости, их получают из основных цветов и точки белого. Из этих коэффициентов составлена вторая строка матрицы перехода из RGB в XYZ. Сигнал яркости Y′ имеет гамма-коррекцию. Гамма-коррекция обычно применяется к составляющим RGB, а не к Y после перевода в YUV, как было бы точнее. То есть на практике для простоты выполняется последовательность RGB → R′G′B′ → Y′UV вместо теоретически правильной RGB → YUV → Y′UV. Коэффициенты для сигнала яркости могут не обновляться под новые основные цвета ради обратной совместимости, так произошло в BT.601.
Коэффициенты яркости Системы Y′UV существуют в вариантах с разными коэффициентами яркости (весами при R′, G′ и B′): например, системы 601Y′CBCR, 709Y′CBCR и 2020Y′CBCR. Коэффициенты обычно обновляют вместе с изменениями в колориметрии (такими как расширение цветового охвата в UHD), поэтому сейчас в основном используется три набора коэффициентов: для SD, HD и UHD-видео.
BT.601 Выше приводилась подобная формула для яркости:
Данный набор коэффициентов KR = 0,299, KB = 0,114 (KG = 1 − KR − KB) закреплён в и многих других стандартах. В приближённом виде он появился в NTSC 1953, набор продолжил использоваться после появления BT.601 и до сих пор почти всегда применяется для телевидения стандартной чёткости. За пределами видео он используется, например, в JPEG. Эти коэффициенты могут ошибочно использоваться при переводе sRGB-изображений в оттенки серого.
// с более ярким, но менее насыщенным цветом Коэффициенты рассчитаны исходя из характеристик люминофоров первых цветных телевизоров. После скорого перехода на другие люминофоры (более яркие, но дающие меньший цветовой охват) и постепенной адаптации под них вещания, коэффициенты перестали быть теоретически правильными, однако это расхождение почти не оказало практического влияния.
BT.709 Для HDTV коэффициенты изменили. Согласно : KR = 0,2126, KB = 0,0722.
Стандарт не расширял цветовой охват, обновление коэффициентов устранило расхождение, описанное выше: в отличие от BT.601, коэффициенты теперь соответствуют основным цветам и поэтому дают более точное приближение сигнала яркости Y′ к относительной яркости в CIE XYZ.
Некоторые специалисты считают, что изменение коэффициентов принесло больше вреда, чем пользы. Это решение дало место для новых ошибокПримеры цветовых искажений из-за неправильного определения коэффициентов имеются в документации к AviSynth: Colorimetry — Avisynth Wiki.: теперь при проигрывании видео правильные коэффициенты для перевода Y′UV в R′G′B′ должны выбираться на основе метаданных или разрешения видео. Разное кодирование цвета в зависимости от разрешения в компьютерной сфере выглядит нелогично и непонятно. Оригинальная система Y′UV не существует в HD-варианте, но цифровой Y′CBCR и аналоговый Y′PBPR теперь делятся на два разных цветовых пространства с разными формулами для преобразования: 601Y′CBCR и 709Y′CBCR, 601Y′PBPR и 709Y′PBPR.