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, которые используются для передачи цветных изображений в компонентном 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, зелёный и синий). Эти сигналы не являются эффективными для хранения и передачи изображений, так как они имеют большую избыточность. Поэтому перевод в систему Y’CbCr 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 идёт 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 идёт 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 применением гамма-коррекции из соответствующих RGB источников с помощью двух определённых констант KB и KR следующим образом:

$\begin{array}{cc}{Y}^{\prime }& =K_R\cdot R^{\prime }+(1-K_R-K_B)\cdot G^{\prime }+K_B\cdot B^{\prime }\\ P_B& =\frac{1}{2}\cdot \frac{B^{\prime }-Y^{\prime }}{1-K_B}\\ P_R& =\frac{1}{2}\cdot \frac{R^{\prime }-Y^{\prime }}{1-K_R}\end{array}$

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 чёрного 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 путём 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), приводит к значению 16 для чёрного 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 наложив 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:

$K_R=0.299$

$K_G=0.587$

$K_B=0.114$

Из приведённых 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:

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

Цифровые(дискретные-квантованные отсчёты) компоненты Y’CbCr (8 бит) рассчитываются из аналоговых R’G’B 'следующим образом:

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

или просто покомпонентно

$\begin{array}{ccc}{Y}^{\prime }{C}_B{C}_R& =& (16,128,128)+(219,224,224)\cdot Y^{\prime }{P}_B{P}_R\\ \end{array}$

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(дискретные-квантованные отсчёты) компоненты Y’CbCr происходит от цифровых(дискретные-квантованные отсчёты) компонент R’dG’dB’d (8 бит на семпл) в соответствии со следующими уравнениями:

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

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

Обратное преобразование:

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

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

$\begin{array}{ccccccc}R{\text{'}}_D& =& \frac{255}{219}\cdot (Y^{\prime }-16)& +& & & \frac{255}{112}\cdot 0.701\cdot (C_R-128)\\ G{\text{'}}_D& =& \frac{255}{219}\cdot (Y^{\prime }-16)& -& \frac{255}{112}\cdot 0.886\cdot \frac{0.114}{0.587}\cdot (C_B-128)& -& \frac{255}{112}\cdot 0.701\cdot \frac{0.299}{0.587}\cdot (C_R-128)\\ B{\text{'}}_D& =& \frac{255}{219}\cdot (Y^{\prime }-16)& +& \frac{255}{112}\cdot 0.886\cdot (C_B-128)\end{array}$

Полученные по приведенным выше формулам значения цифровых компонент R’dG’dB’d должны быть ограничены до 8-битного диапазона 0−255.

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.

Преобразования JPEG

Формат обмена файлами JPEG позволяет использовать Y’CbCr, где Y, C_B и C_R имеют полный 8-битный диапазон 0-255:

$\begin{array}{ccccccccc}{Y}^{\prime }& =& 0& +(0.299& \cdot R{\text{'}}_D)& +(0.587& \cdot G{\text{'}}_D)& +(0.114& \cdot B{\text{'}}_D)\\ C_B& =& 128& -(0.168736& \cdot R{\text{'}}_D)& -(0.331264& \cdot G{\text{'}}_D)& +(0.5& \cdot B{\text{'}}_D)\\ C_R& =& 128& +(0.5& \cdot R{\text{'}}_D)& -(0.418688& \cdot G{\text{'}}_D)& -(0.081312& \cdot B{\text{'}}_D)\end{array}$

И обратно:

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

CbCr плоскости при различных значениях Y

• 
  Y=0
• 
  Y=0.5
• 
  Y=1

См. также

• Цифровое видео
• YUV

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 FAQШаблон:Ref-en
• Charles Poynton — Video engineeringШаблон:Ref-en
• Color Space VisualizationШаблон:Ref-en
• PC Magazine Encyclopedia: YCbCrШаблон:Ref-en
• YUV, YCbCr, YPbPr color spaces.Шаблон:Ref-en
• Color formatsШаблон:Ref-en
• Color conversionШаблон:Ref-en