YUV

YUV — колірна модель, у якій колір подається трьома компонентами — яскравістю (Y) і двома кольорорізницевими (U і V).

Компоненти $YUV$ визначено на основі компонент RGB так:

{\begin{aligned}Y&=K_{R}\cdot R+(1-K_{R}-K_{B})\cdot G+K_{B}\cdot B\\U&=B-Y\\V&=R-Y\\\end{aligned}}

Зворотне перетворення в RGB:

{\begin{aligned}R&=Y+V\\G&=Y-{\frac {K_{R}\cdot V+K_{B}\cdot U}{1-K_{R}-K_{B}}}\\B&=Y+U\\\end{aligned}}

Зворотне перетворення зберігає діапазон змін компонентів RGB, але діапазон змін компонентів $U$ і $V$ більший, ніж в $Y$ , що незручно для кодування та передавання сигналу. Тому вводиться нормування.

Модель широко застосовується в телемовленні та зберіганні / обробці відеоданих. Яскравісна компонента містить «чорно-біле» (у відтінках сірого) зображення, а дві інші компоненти — інформацію для відновлення належного кольору. Це було зручно на момент появи кольорового телебачення для сумісності зі старими чорно-білими телевізорами. Тоді як яскравість передається з усіма деталями, деякі деталі в компонентах кольорорізницевого сигналу, позбавленого інформації про яскравість, можуть бути видалені шляхом пониження роздільності.

Зазвичай, терміни YCbCr і YUV використовують як взаємозамінні, що призводить до деякої плутанини. Коли мова йде про відео або сигнали в цифровій формі, термін «YUV» переважно означає «YCbCr».^[1]

Нормування YUV. Формат YPbPr

Якщо прийняти, що компоненти $RGB$ змінюються в діапазоні $[0;A)$ то, за визначенням, компонента $U$ змінюється в інтервалі $[-(1-K_{B})A;(1-K_{B})A)$ , а $V$ — в інтервалі $[-(1-K_{R})A;(1-K_{R})A)$ .

Для зведення до інтервалу $[-{\tfrac {A}{2}};{\tfrac {A}{2}})$ компоненти $U$ і $V$ нормують:

{\begin{aligned}U&={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {B-Y}{1-K_{B}}}\\V&={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {R-Y}{1-K_{R}}}\\\end{aligned}}

Зворотне перетворення в $RGB$ :

{\begin{aligned}R&=Y+2\cdot V\cdot (1-K_{R})\\G&=Y-{\frac {2K_{R}\cdot V\cdot (1-K_{R})+2K_{B}\cdot U\cdot (1-K_{B})}{1-K_{R}-K_{B}}}\\B&=Y+2\cdot U\cdot (1-K_{B})\\\end{aligned}}

Цей спосіб подання компонент використано в аналоговому форматі YPbPr^[en].

Цифрове подання YUV. Формат YCbCr

Цифрове подання YUV — це формат YCbCr^[en]. Переважно, для цифрових форматів даних використовують цілі невід'ємні числа діапазонів розміру степеня двійки. Найчастіше — 8, 10 біт тощо. Оскільки $U$ і $V$ можуть бути від'ємними, то для них уводять зміщення — половину від рівнів квантування (кодування). Також для проріджування менш інформативних компонентів застосовують просторове кодування, наприклад YUYV або YUV422.

YCbCr чи YCrCb?

У рекомендації BT.601 частіше зустрічається послідовність Cr, Cb — у тексті, формулах, але в Додатку 2 BT.601 — вже Cb, Cr. У наступних рекомендаціях тієї ж групи послідовність Cb, Cr зберігається. Хоча ці рекомендації не регламентують послідовність запису Cb, Cr в адресному просторі, казус щодо черговості прийнято і втілено, наприклад, в OpenCV,^[2] що торкнулося не тільки назв параметрів, але й черговості в адресному просторі.

Тим не менш, T-REC-T.871 строго задає послідовність — Cb, Cr: Якщо використовуються три компоненти, вони мають бути присутні в зображенні в такому порядку: перша компонента – канал Y, друга компонента – канал Cb, третя компонента – канал Cr.

Оригінальний текст (англ.)

If three components are used, they shall be present in the image with the ordering of the components such that the first component is the Y channel, the second component is the Cb channel, and the third component is the Cr channel.

Коефіцієнти K_R та K_B

У рекомендації BT.601^[en] визначено такі значення для K_R і K_B:

{\begin{aligned}K_{R}&=0.299\\K_{B}&=0.114\\\end{aligned}}

Ці ж значення використовують для перетворення колірного простору в YPbPr і JPEG (JFIF).^[3]

За рекомендацією BT.709^[en] визначено значення K_R і K_B:

{\begin{aligned}K_{R}&=0.2126\\K_{B}&=0.0722\\\end{aligned}}

B рекомендації BT.2020^[en]

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

При цьому для збереження сталості яскравості враховують нелінійну відповідність $RGB$ і яскравості і вводять різні множники для від'ємних і додатних значень $U$ і $V$ . У традиційному варіанті з мінливою яскравістю множники — постійні величини.

Кодування

YUV у JPEG (T-REC-T.871)

У рекомендації T-REC-T.871 визначено перетворення для подання YUV у цифровій формі YCbCr:

{\begin{aligned}Y&=0.299\cdot R+0.587\cdot G+0.114\cdot B\\C_{B}&={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {B-Y}{1-0.114}}+128\approx -0.1687\cdot R-0.3313\cdot G+0.5\cdot B+128\\C_{R}&={\frac {1}{2}}\cdot {\frac {R-Y}{1-0.299}}+128\approx 0.5\cdot R-0.4187\cdot G-0.0813\cdot B+128\\\end{aligned}}

По суті, з урахуванням зміщення нуля, це перетворення аналогічне YPbPr — усі компоненти займають повний діапазон, доступний для цієї розрядності даних. Зворотне перетворення на RG':

{\begin{aligned}R&=Y+1.402\cdot (C_{R}-128)\\G&=Y-(0.114\cdot 1.772\cdot (C_{B}-128)+0.299\cdot 1.402\cdot (C_{R}-128))/0.587\approx Y-0.3441\cdot (C_{B}-128)-0.7141\cdot (C_{R}-128)\\B&=Y+1.772\cdot (C_{B}-128)\\\end{aligned}}

При цьому кожну обчислену компоненту слід звести до [0,255] — відсікти.

YUV у телевізійних стандартах

Перетворення в рекомендаціях BT.601, BT.709, BT.2020 також стосуються подання YUV в цифровій формі YCbCr, основна відмінність яких від T-REC-T.871 у тому, що діапазони змінення компонент менші, ніж доступний для цієї розрядності даних: для Y це 220 (8 біт) або 877 (10 біт) і найменше значення 16 (8 біт) або 64 (10 біт), а для U і V — 225 (8 біт) або 897 (10 біт) і нуль відповідає значенню 128 (8 біт) або 512 (10 біт). Це зроблено для того, щоб використовувати крайні значення (0 і 255 (8 біт)) для передавання даних синхронізації.

Перетворення для BT.601 YCbCr здійснюють за такими формулами:

{\begin{aligned}Y&=0,299\times R+0,587\times G+0,114\times B\\U&=-0,14713\times R-0,28886\times G+0,436\times B+128\\V&=0,615\times R-0,51499\times G-0,10001\times B+128\end{aligned}}

Зворотне перетворення для BT.601 RGB YCbCr з RGB здійснюють за такими формулами:

{\begin{aligned}R&=Y+1,13983\times (V-128)\\G&=Y-0,39465\times (U-128)-0,58060\times (V-128)\\B&=Y+2,03211\times (U-128)\\\end{aligned}}

де $R$ , $G$ , $B$ — відповідно, цифрове подання інтенсивності кольорів червоного, зеленого та синього; $Y$ — складова яскравості; $U$ і $V$ — колірні складові. За BT.601 і BT.709 цифрове подання інтенсивності кольорів означає, що початкову величину інтенсивності, яка пройшла попередню гамма-корекцію і лежить у діапазоні [0,1], слід помножити на 219 і додати 16, наприклад $R=219R'+16$ .

Модель широко застосовують у телемовленні та зберіганні / обробці відеоданих. Компонента яскравості містить «чорно-біле» (у відтінках сірого) зображення, а дві інші компоненти — інформацію для відновлення необхідного кольору. Це виявилося зручно на момент появи кольорового телебачення для сумісності із старими чорно-білими телевізорами.

У колірному просторі YUV є одна компонента, яка представляє яскравість (сигнал яскравості), і дві інші компоненти, які представляють колір (сигнал кольору). Тоді як яскравість передається з усіма деталями, деякі деталі в компонентах кольорорізницевого сигналу, позбавленого інформації про яскравість, можуть бути видалені завдяки зниженню роздільності відліків (фільтрація або усереднення), що можна зробити декількома способами (тобто, існує багато форматів для збереження зображення в колірному просторі YUV).

YUV часто плутають із колірним простором YCbCr, і, як правило, терміни YCbCr та YUV використовують як взаємозамінні, що спричиняє додаткову плутанину. Коли йдеться про відео або сигнали в цифровій формі, особливо в контексті телевізійного мовлення, термін YUV переважно означає Y'CbCr (у термінах однієї з рекомендацій BT.601, BT.709 і BT.2020). Якщо йдеться про JPEG, або MPEG, або в контексті обробки зображень, то мають на увазі T-REC-T.871 YCbCr.

Див. також

Примітки

↑ Poynton, Charles. «YUV and luminance considered harmful: A plea for precise terminology in video» [1]
↑ Функція cv::cvtColor з параметром CV_YCrCb2BGR [Архівовано 2021-11-22 у Wayback Machine.]
↑ ITU T-REC-T.871 T.871 : Information technology - Digital compression and coding of continuous-tone still images: JPEG File Interchange Format (JFIF). Архів оригіналу за 25 травня 2018. Процитовано 24 травня 2018.

Література

Color Spaces [Архівовано 7 серпня 2015 у Wayback Machine.]

Посилання

Варіанти упаковки значень YUV [Архівовано 29 травня 2014 у Wayback Machine.] (англ.)
ITU T-REC-T.871-201105
ITU R-REC-BT.601-7-201103
ITU R-REC-BT.709-6-201506
ITU R-REC-BT.2020-2-201510
ITU R-REC-BT.2100-1-201706

[Poynton-1] Poynton, Charles. «YUV and luminance considered harmful: A plea for precise terminology in video» [1]

[2] Функція cv::cvtColor з параметром CV_YCrCb2BGR [Архівовано 2021-11-22 у Wayback Machine.]

[3] ITU T-REC-T.871 T.871 : Information technology - Digital compression and coding of continuous-tone still images: JPEG File Interchange Format (JFIF). Архів оригіналу за 25 травня 2018. Процитовано 24 травня 2018.

[1]

[2]

[3]