YCbCr

Представление цветового пространства YCbCr

Плоскость CbCr при постоянной яркости Y'=0.5

Цветное изображение и его компоненты Y, C_B и C_R

YCbCr, Y′CbCr, или Y Pb/Cb Pr/Cr, также пишется как Y'C_BC_R или YC_BC_R - семейство цветовых пространств, которое используются для передачи цветных изображений в видео и цифровой фотографии.

Y' - компонента яркости, C_B и C_R являются синей и красной цветоразностными компонентами. Y' (с апострофом) отличается от Y, которой обозначают яркость без предыскажения. Апостроф означает, что интенсивность света кодируется нелинейно с помощью гамма-коррекции.

Y'CbCr не является абсолютным цветовым пространством, скорее, это способ кодирования информации сигналов RGB. Для систем отображения используются сигналы основных цветов RGB (красный, зеленый и синий). Эти сигналы не являются эффективными для хранения и передачи изображений, так как они имеют большую избыточность. Поэтому перевод в систему Y'CrCb позволяет передать информацию о яркости с полным разрешением, а для цветоразностных компонент произвести субдискретизацию, то есть выборку с уменьшением числа передаваемых элементов изображения, так как человеческий глаз менее чувствителен к перепадам цвета. Это повышает эффективность системы, позволяя уменьшить поток видеоданных. Значение, выраженное в Y'CbCr будет предсказуемо, если первично использовались сигналы основных цветов RGB.

Формулы преобразования

YCbCr иногда сокращают до YCC. Y'CbCr часто называют YPbPr, когда речь идет о системах аналогового компонентного видео, хотя термин Y'CbCr обычно используется для обеих систем.

Y'CbCr часто путают с цветовым пространством YUV, и, как правило, термины YCbCr и YUV используются как взаимозаменяемые, что приводит к некоторой путанице. Когда речь идет о видео или сигналах в цифровой форме, термин «YUV» в основном означает «Y’CbCr».

Сигналы Y'CbCr (до нормирования и смещения для перевода сигналов в цифровую форму) называют YPbPr. Они формируются с примененеим гамма-коррекции из соответствующих RGB источников с помощью двух определенных констант KB и KR следующим образом:

$\begin{align} Y' &= K_R \cdot R' + (1 - K_R - K_B) \cdot G' + K_B \cdot B'\\ P_B &=\frac12 \cdot \frac{B' - Y'}{1 - K_B}\\ P_R &=\frac12 \cdot \frac{R' - Y'}{1 - K_R} \end{align}$

где KB и KR коэффициенты, которые обычно выводятся из определения соответствующего пространства RGB.

Здесь апостроф ' означает компоненты с гамма-коррекцией, поэтому R', G' и B' располагаются в пределах от 0 до 1, где 0 соответствует минимальной интенсивности (например, для отображения черного цвета) и 1 соответствует максимуму (например, для отображения белого цвета). Результирующее значение яркости (Y) будет иметь пределы от 0 до 1, а значения цветности (PB и PR ) будут расположены в пределах от -0.5 до +0.5. Обратный процесс преобразования может быть легко получен путем обращения представленных выше уравнений.

При представлении сигналов в цифровой форме, результат нормируется и округляется, и, как правило, добавляется смещение. Так, например, нормирование и смещение, применяемое к компоненте Y' согласно спецификации (например, MPEG-2 ^[1]), приводит к значению 16 для черного и значению 235 для белого при использовании 8-битного представления. Стандарт имеет 8-битные цифровые версии Cb и Cr, нормированные в другом диапазоне: от 16 до 240.

Нормирование приводит к использованию меньшего диапазона цифровых значений. В этом случае имеется некоторый запас, который может быть использован в случае превышения порога входными данными, таким образом устраняя необходимость их отсечения. Дополнительные диапазоны могут быть использованы для расширения цветовой палитры, как например в пространстве xvYCC .

Так как в пространстве YC_RC_B можно представить существенно более широкую гамму значений сигнала, чем поддерживаемая в соответствующих диапазонах сигналов R, G и B, то существует вероятность получения таких сигналов Y, C_R и C_B, которые, несмотря на пригодность каждого из них по отдельности, могут, при преобразовании к RGB, привести к получению значений, лежащих вне допустимых пределов. Это можно предотвратить наложенив ограничения на сигналы Y, C_R и C_B, также такие ограничения применяются для поддержания значений яркости и цветовых оттенков, при этом субъективные искажения минимизируются посредством потери только насыщенности цвета.

Преобразования по рекомендации ITU-R BT.601

Форма Y'CbCr, которая была определена для телевидения стандартной чёткости (стандарт МСЭ-R BT.601 (бывшая CCIR 601)) для использования с цифровыми компонентным видео формируется из соответствующего пространства RGB следующим образом:

$K_B = 0.114$

$K_R = 0.299$

Из приведенных выше констант и формул, могут быть получены следующие уравнения для МСЭ-R BT.601. Преобразование аналоговых компонент R'G'B' в аналоговые YPbPr происходит следующим образом:

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

Цифровые компоненты Y'CbCr (8 бит) расчитываются из аналоговых R'G'B 'следующим образом:

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

или просто покомпонентно

$\begin{align} Y'C_BC_R &=& ( 16, 128, 128 ) + ( 219, 224, 224 ) \cdot Y'P_BP_R\\ \end{align}$

Полученные сигналы находятся в диапазоне от 16 до 235, значения от 0 до 15 и от 236 до 255 формируют два запасных диапазона.

Кроме того, цифровые компоненты Y'CbCr происходит от цифровых компонент R'dG'dB'd (8 бит на сэмпл) в соответствии со следующими уравнениями:

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

Все значения умножаются. Это позволяет получить значение знаменателя 256, которое может быть рассчитан одним битовым сдвигом .

Обратное преобразование:

$\begin{align} R'_D &=& \frac{298.082 \cdot Y'}{256} &&&+& \frac{408.583 \cdot C_R}{256} &-& 222.921\\ G'_D &=& \frac{298.082 \cdot Y'}{256} &-& \frac{100.291 \cdot C_B}{256} &-& \frac{208.120 \cdot C_R}{256} &+& 135.576\\ B'_D &=& \frac{298.082 \cdot Y'}{256} &+& \frac{516.412 \cdot C_B}{256} &&&-& 276.836 \end{align}$

Обратное преобразование без округления (с использованием значений исходит непосредственно из рекомендации ITU-R BT.601) составляет:

$\begin{align} R'_D &=& \frac{255}{219}\cdot(Y'-16) &+&&& \frac{255}{112}\cdot0.701\cdot(C_R-128)\\ G'_D &=& \frac{255}{219}\cdot(Y'-16) &-& \frac{255}{112}\cdot0.886\cdot\frac{0.114}{0.587}\cdot(C_B-128) &-& \frac{255}{112}\cdot0.701\cdot\frac{0.299}{0.587}\cdot(C_R-128)\\ B'_D &=& \frac{255}{219}\cdot(Y'-16) &+& \frac{255}{112}\cdot0.886\cdot(C_B-128) \end{align}$

Эта форма Y'CbCr используется в основном для старых систем телевидения стандартной чёткости, поскольку она использует модель RGB, что соответствует характеристикам излучения люминофоров старых ЭЛТ-мониторов.

Преобразования по рекомендации ITU-R BT.709

В стандарте ITU-R BT.709 указаны различные формы Y'CbCr, в первую очередь для использования в ТВЧ. Новая форма также используется в некоторых компьютерных дисплеях. В этом случае, значения Kb и Kr отличаться, но уравнения с ними будут такими же. Для МСЭ-R BT.709 коэффициенты определены как:

$K_B = 0.0722$

$K_R = 0.2126$

Эта форма Y'CbCr основана на модели RGB, который более точно соответствует характеристикам новых ЭЛТ и другим современным дисплеям.

Определения сигналов R'G'B' также отличаются между BT.709 и BT.601. Также они различны в BT.601 в зависимости от типа применяемой телевизионной системы (625 строк, как в PAL и SECAM или 525 строк, как в NTSC ), и отличаются некоторыми характеристиками. В разных системах существуют различия при определении координат цветности R, G, B, точкой отсчета белого цвета, поддерживаемой цветовой палитры, гамма-коррекции для получения R'G'B' из RGB, а также нормирования и смещения, которые должны применяться во время преобразования из R'G'B' к Y'CbCr. ^[2]

JPEG преобразования

Формат обмена файлами JPEG позволяет использовать Y'CbCr, где Y, C_B и C_R имеют полный 8-битный диапазон 0-255:^[3]

$\begin{align} Y' &=& &+ (0.299 \cdot& R'_D) &+ (0.587 \cdot& G'_D) &+ (0.114 \cdot& B'_D)\\ C_B &=& 128 &- (0.168736 \cdot& R'_D) &- (0.331264 \cdot& G'_D) &+ (0.5 \cdot& B'_D)\\ C_R &=& 128 &+ (0.5 \cdot& R'_D) &- (0.418688 \cdot& G'_D) &- (0.081312 \cdot& B'_D) \end{align}$

И обратно:

$\begin{align} R &=& Y &&& + 1.402 \cdot &(C_R-128) \\ G &=& Y &- 0.34414 \cdot &(C_B-128)& - 0.71414 \cdot &(C_R-128) \\ B &=& Y &+ 1.772 \cdot &(C_B-128)& \end{align}$

CbCr плоскости при различных значениях Y

• 

  Y=0

• 

  Y=0.5

• 

  Y=1

См. также

• Цифровое видео
• YUV

Примечания

1. ↑ e.g. the MPEG-2 specification, ITU H.262 2000 E pg. 44
2. ↑ Charles Poynton, Digital Video and HDTV, Chapter 24, pp. 291–292, Morgan Kaufmann, 2003.
3. ↑ JPEG File Interchange Format Version 1.02

Ссылки

• Рекомендация МСЭ-R BT. 601-7 (03/2011) Студийные параметры кодирования цифрового телевидения для стандартного 4:3 и широкоэкранного 16:9 форматов
• Charles Poynton — Color FAQ (англ.)
• Charles Poynton — Video engineering (англ.)
• Color Space Visualization (англ.)
• PC Magazine Encyclopedia: YCbCr (англ.)
• YUV, YCbCr, YPbPr color spaces. (англ.)
• Color formats (англ.)
• Color conversion (англ.)