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Y′UV

Ejemplo de plano de color UV, valor Y′ = 0,5, representado dentro de la gama de colores RGB. Una imagen junto con sus componentes Y′, U y V respectivamente. Y′UV , también escri...

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Ejemplo de plano de color UV, valor Y′ = 0,5, representado dentro de la gama de colores RGB.
Una imagen junto con sus componentes Y′, U y V respectivamente.

Y′UV , también escrito YUV , es el modelo de color que se encuentra en el estándar de televisión analógica en color PAL . Un color se describe como un componente Y′ ( luminancia ) y dos componentes de croma U y V. El símbolo prima (′) indica que la luminancia se calcula a partir de una entrada RGB con corrección gamma y que es diferente de la luminancia real . [ 1 ] Hoy en día, el término YUV se usa comúnmente de forma imprecisa en la industria informática para describir espacios de color que se codifican utilizando estándares similares más recientes, como YCbCr . [ 2 ]

En los formatos de televisión, la información de color (U y V) se añadía por separado mediante una subportadora , de modo que un receptor en blanco y negro pudiera seguir recibiendo y mostrando una transmisión de imagen en color en el formato nativo en blanco y negro del receptor , sin necesidad de ancho de banda de transmisión adicional.

En cuanto a la etimología, Y, Y′, U y V no son abreviaturas. El uso de la letra Y para la luminancia se remonta a la elección de los colores primarios XYZ . Esto se presta naturalmente al uso de la misma letra en luma (Y′), que se aproxima a un correlato de luminancia perceptualmente uniforme . Del mismo modo, U y V se eligieron para diferenciar los ejes U y V de los de otros espacios, como el espacio de cromaticidad x e y. Véanse las ecuaciones a continuación o compare el desarrollo histórico de las matemáticas. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

El alcance de los términos Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr, etc., a veces es ambiguo y se superpone.

  • Y′UV es la separación utilizada en PAL.
  • YDbDr es el formato utilizado en SECAM , basado inusualmente en RGB no corregido gamma (lineal), lo que hace que el componente Y sea luminancia real .
  • Y′IQ es el formato utilizado en la televisión NTSC .
  • Y'PbPr es la separación utilizada en el vídeo por componentes .
  • Y′CbCr es cualquier codificación digital de Y'PbPr adecuada para formatos de compresión y transmisión de vídeo e imagen como MPEG y JPEG . [ 2 ]
  • Y′CoCg es una separación similar que ofrece un mejor rendimiento y una transmisión de datos sin pérdidas, utilizada en los códecs de vídeo más recientes y en JPEG XR .

Todos estos formatos se basan en un componente de luminancia y dos componentes de crominancia que describen la diferencia de color con respecto al gris. En todos los formatos, excepto Y′IQ, cada componente de crominancia es una versión escalada de la diferencia entre rojo/azul y Y; la principal diferencia radica en los factores de escala utilizados, que están determinados por los colores primarios y el rango numérico previsto (compárese el uso de U max y V max en §  SDTV con BT.470 con un ⁠ 1 / 2 ⁠ fijo en YCbCr §  R'G'B' a Y'PbPr ). En Y′IQ, el plano UV se rota 33°.

Historia

La tecnología Y'UV se inventó cuando los ingenieros buscaban implementar televisión en color en una infraestructura en blanco y negro . [ 6 ] Necesitaban un método de transmisión de señal compatible con la televisión en blanco y negro (B&N) que, a la vez, permitiera añadir color. El componente de luminancia ya existía como señal en blanco y negro; como solución, añadieron la señal UV a esta.

Se eligió la representación UV de la crominancia en lugar de las señales R y B directas porque U y V son señales de diferencia de color. En otras palabras, las señales U y V le indican al televisor que cambie el color de un punto determinado sin alterar su brillo, o que aumente el brillo de un color a expensas del otro, y en qué medida debe cambiar. Cuanto mayores (o menores en el caso de valores negativos) sean los valores U y V, más saturado (colorido) será el punto. Cuanto más se acerquen los valores U y V a cero, menor será el cambio de color, lo que significa que las luces roja, verde y azul tendrán un brillo más similar, produciendo un punto más grisáceo. Esta es la ventaja de usar señales de diferencia de color: en lugar de indicar la cantidad de rojo que tiene un color, indica cuánto más rojo tiene que verde o azul.

Esto significaba que cuando las señales U y V eran cero o estaban ausentes, simplemente se mostraba una imagen en escala de grises . Si se hubieran utilizado R y B, estas tendrían valores distintos de cero incluso en una escena en blanco y negro, lo que requeriría las tres señales portadoras de datos. Esto era importante en los inicios de la televisión en color, porque las antiguas señales de televisión en blanco y negro no tenían señales U y V, lo que significaba que el televisor en color simplemente las mostraría como televisión en blanco y negro directamente. Además, los receptores en blanco y negro podían tomar la señal Y′ e ignorar las señales de color U y V, lo que hacía que Y′UV fuera retrocompatible con todos los equipos en blanco y negro existentes, tanto de entrada como de salida. Si el estándar de televisión en color no hubiera utilizado señales de diferencia de color, podría significar que un televisor en color podría generar colores extraños a partir de una transmisión en blanco y negro o que necesitaría circuitos adicionales para convertir la señal en blanco y negro a color.

Fue necesario asignar un ancho de banda más estrecho al canal de crominancia porque no había ancho de banda adicional disponible. Si parte de la información de luminancia hubiera llegado a través del canal de crominancia (como habría ocurrido si se hubieran utilizado señales RB en lugar de señales UV diferenciales), la resolución en blanco y negro se habría visto comprometida. [ 7 ]

Conversión a/desde RGB

SDTV con BT.470

Las señales Y′UV se generan típicamente a partir de una fuente RGB ( rojo , verde y azul ). Los valores ponderados de R, G y B se suman para producir Y′, una medida del brillo o luminancia general. U y V se calculan como diferencias escaladas entre Y′ y los valores B y R.

El estándar PAL (NTSC usa YIQ , que se rota aún más) define las siguientes constantes, [ 8 ] derivadas de los primarios del sistema M BT.470 y el punto blanco usando SMPTE RP 177 (las mismas constantes llamadas coeficientes de matriz se usaron más tarde en BT.601 , aunque usa 1/2 en lugar de 0,436 y 0,615):

WR=0,299,WGRAMO=1−WR−WB=0,587,WB=0,114,Umáximo=0,436,Vmáximo=0,615.{\displaystyle {\begin{aligned}W_{R}&=0.299,\\W_{G}&=1-W_{R}-W_{B}=0.587,\\W_{B}&=0.114,\\U_{\text{max}}&=0.436,\\V_{\text{max}}&=0.615.\end{aligned}}}

Las señales PAL en Y′UV se calculan a partir de R'G'B' (solo SECAM IV utilizó RGB lineal [ 9 ] ) de la siguiente manera:

Y′=WRR′+WGRAMOGRAMO′+WBB′=0,299R′+0,587GRAMO′+0,114B′,U=UmáximoB′−Y′1−WB≈0,492(B′−Y′),V=VmáximoR′−Y′1−WR≈0,877(R′−Y′).{\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=W_{R}R'+W_{G}G'+W_{B}B'=0.299R'+0.587G'+0.114B',\\U&=U_{\text{max}}{\frac {B'-Y'}{1-W_{B}}}\approx 0.492(B'-Y'),\\V&=V_{\text{max}}{\frac {R'-Y'}{1-W_{R}}}\approx 0.877(R'-Y').\end{aligned}}}

Los rangos resultantes de Y′, U y V son respectivamente [0, 1], [− U max , U max ] y [− V max , V max ].

Invirtiendo la transformación anterior se convierte Y′UV en RGB:

R′=Y′+V1−WRVmáximo=Y′+V0,877=Y′+1.14V,GRAMO′=Y′−UWB(1−WB)UmáximoWGRAMO−VWR(1−WR)VmáximoWGRAMO=Y′−0,232U0,587−0,341V0,587=Y′−0,395U−0,581V,B′=Y′+U1−WBUmáximo=Y′+U0,492=Y′+2.033U.{\displaystyle {\begin{aligned}R'&=Y'+V{\frac {1-W_{R}}{V_{\text{max}}}}=Y'+{\frac {V}{0.877}}=Y'+1.14V,\\G'&=Y'-U{\frac {W_{B}(1-W_{B})}{U_{\text{max}}W_{G}}}-V{\frac {W_{R}(1-W_{R})}{V_{\text{max}}W_{G}}}\\&=Y'-{\frac {0.232U}{0.587}}-{\frac {0.341V}{0.587}}=Y'-0.395U-0.581V,\\B'&=Y'+U{\frac {1-W_{B}}{U_{\text{max}}}}=Y'+{\frac {U}{0.492}}=Y'+2.033U.\end{aligned}}}

De forma equivalente, al sustituir los valores de las constantes y expresarlas como matrices , se obtienen las siguientes fórmulas para el sistema BT.470 M (PAL):

[Y′UV]=[0,2990,5870,114−0,14713−0,288860,4360,615−0,51499−0,10001][R′GRAMO′B′],[R′GRAMO′B′]=[101.139831−0,39465−0,5806012.032110][Y′UV].{\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}0.299&0.587&0.114\\-0.14713&-0.28886&0.436\\0.615&-0.51499&-0.10001\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end {bmatrix}},\\{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}1&0&1.13983\\1&-0.39465&-0.58060\\1&2.03211&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}.\end{aligned}}}

Para valores pequeños de Y' es posible obtener valores R, G o B que sean negativos, por lo que en la práctica limitamos los resultados RGB al intervalo [0,1] o, más correctamente, los limitamos dentro de Y'CbCr.

En BT.470 se cometió un error porque se usó 0,115 en lugar de 0,114 para el azul y el resultado fue 0,493 en lugar de 0,492. En la práctica, esto no afectó a los decodificadores porque se usó la aproximación 1/2,03. [ 10 ]

Televisor de alta definición con BT.709

HDTV Rec.  709 (bastante similar a SDTV Rec.  601) en comparación con UHDTV Rec.  2020.

Para HDTV, el ATSC decidió cambiar los valores básicos de W R y W B en comparación con los valores previamente seleccionados en el sistema SDTV. Para HDTV, estos valores son proporcionados por Rec.  709. Esta decisión impactó aún más en la matriz para la conversión Y′UV↔RGB, de modo que sus valores miembros también son ligeramente diferentes. Como resultado, con SDTV y HDTV generalmente hay dos representaciones Y′UV distintas posibles para cualquier triple RGB: una SDTV-Y′UV y una HDTV-Y′UV. Esto significa en detalle que al convertir directamente entre SDTV y HDTV, la información de luminancia (Y′) es aproximadamente la misma, pero la representación de la información del canal de croma (U y V) necesita conversión. Aún en la cobertura del espacio de color CIE 1931, el espacio de color Rec.  709 es casi idéntico a Rec.  601 y cubre el 35,9%. [ 11 ] En contraste con esto, UHDTV con Rec.  El año 2020 abarca un área mucho mayor y, por lo tanto, se derivó su propia matriz para YCbCr (sin YUV/Y′UV, debido a la desactivación de la televisión analógica).

BT.709 define estos valores de peso:

WR=0,2126,WGRAMO=1−WR−WB=0,7152,WB=0,0722{\displaystyle {\begin{aligned}W_{R}&=0.2126,\\W_{G}&=1-W_{R}-W_{B}=0.7152,\\W_{B}&=0.0722\\\end{aligned}}}

Los valores U max y V max son los que se muestran arriba.

Las matrices de conversión para la forma analógica de BT.709 son estas, pero no hay evidencia de que se hayan utilizado alguna vez en la práctica (en su lugar, solo se utiliza la forma descrita de BT.709, la forma YCbCr ):

[Y′UV]=[0,21260,71520,0722−0,09991−0,336090,4360,615−0,55861−0,05639][R′GRAMO′B′][R′GRAMO′B′]=[101.280331−0,21482−0,3805912.127980][Y′UV]{\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}0.2126&0.7152&0.0722\\-0.09991&-0.33609&0.436\\0.615&-0.55861&-0.05639\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\e nd{bmatrix}}\\{\begin{bmatrix}R'\\G'\\B'\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}1&0&1.28033\\1&-0.21482&-0.38059\\1&2.12798&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}Y'\\U\\V\end{bmatrix}}\end{aligned}}}

Notas

  • Los pesos utilizados para calcular Y′ (fila superior de la matriz) son idénticos a los utilizados en el espacio de color Y′IQ .
  • Valores iguales de rojo, verde y azul (es decir, niveles de gris) dan como resultado 0 para U y V. El negro, RGB=(0, 0, 0), da como resultado YUV=(0, 0, 0). El blanco, RGB=(1, 1, 1), da como resultado YUV=(1, 0, 0).
  • Estas fórmulas se utilizan tradicionalmente en televisores y equipos analógicos; los equipos digitales, como la televisión de alta definición (HDTV) y las cámaras de vídeo digitales, utilizan Y′CbCr.

Sistemas de luminancia/crominancia en general

La principal ventaja de los sistemas de luminancia/cromía, como Y′UV y sus variantes Y′IQ y YDbDr , es su compatibilidad con la televisión analógica en blanco y negro (en gran medida gracias al trabajo de Georges Valensi ). El canal Y′ almacena todos los datos grabados por las cámaras en blanco y negro, generando así una señal apta para su recepción en pantallas monocromáticas antiguas. En este caso, los canales U y V se descartan. Si se muestra color, se utilizan los tres canales y se puede decodificar la información RGB original.

Otra ventaja del Y'UV es que parte de la información se puede descartar para reducir el ancho de banda . El ojo humano tiene una sensibilidad espacial al color bastante baja: la precisión de la información de brillo del canal de luminancia influye mucho más en el detalle de la imagen que la de los otros dos canales. Conscientes de esta limitación humana, estándares como NTSC y PAL reducen considerablemente el ancho de banda de los canales de crominancia. (El ancho de banda se mide en el dominio temporal, pero esto se traduce al dominio espacial a medida que se procesa la imagen).

Por lo tanto, las señales U y V resultantes pueden ser sustancialmente "comprimidas". En los sistemas NTSC (Y′IQ) y PAL, las señales de crominancia tenían un ancho de banda significativamente menor que el de la luminancia. Las primeras versiones de NTSC alternaban rápidamente entre colores particulares en áreas idénticas de la imagen para que parecieran sumarse entre sí para el ojo humano, mientras que todos los estándares de vídeo analógicos modernos e incluso la mayoría de los digitales utilizan el submuestreo de croma grabando la información de color de una imagen a una resolución reducida. Solo se conserva la mitad de la resolución horizontal en comparación con la información de brillo (denominado submuestreo de croma 4:2:2), y a menudo la resolución vertical también se reduce a la mitad (dando como resultado 4:2:0). El estándar 4:x:x se adoptó debido al primer estándar NTSC en color, que utilizaba un submuestreo de croma de 4:1:1 (donde la resolución de color horizontal se reduce a la cuarta parte mientras que la vertical es de resolución completa), de modo que la imagen contenía solo una cuarta parte de la resolución de color en comparación con la resolución de brillo. Actualmente, solo los equipos de gama alta que procesan señales sin comprimir utilizan un submuestreo de croma de 4:4:4 con resolución idéntica tanto para la información de brillo como para la de color.

Los ejes I y Q se eligieron según el ancho de banda necesario para la visión humana: un eje requería el mayor ancho de banda y el otro (afortunadamente a 90 grados) el mínimo. Sin embargo, la demodulación I y Q real era relativamente más compleja, ya que requería dos líneas de retardo analógicas, y los receptores NTSC rara vez la utilizaban.

Sin embargo, esta estrategia de modulación de color es con pérdidas , particularmente debido a la diafonía entre el cable que transporta la luminancia y el que transporta la crominancia, y viceversa, en equipos analógicos (incluidos los conectores RCA para transferir una señal digital, ya que solo transportan video compuesto analógico , que puede ser YUV, YIQ o incluso CVBS ). Además, NTSC y PAL codificaban las señales de color de manera que las señales de crominancia y luminancia de alto ancho de banda se mezclaban entre sí para mantener la compatibilidad con equipos de televisión en blanco y negro, lo que resultaba en artefactos de puntos y cruce de colores . Cuando se creó el estándar NTSC en la década de 1950, esto no era una preocupación real, ya que la calidad de la imagen estaba limitada por el equipo del monitor, no por la señal de ancho de banda limitado que se recibía. Sin embargo, la televisión moderna actual es capaz de mostrar más información de la que contienen estas señales con pérdidas. Para estar a la altura de las capacidades de las nuevas tecnologías de visualización, desde finales de la década de 1970 se hicieron intentos por preservar una mayor parte de la señal Y'UV durante la transferencia de imágenes, como los conectores SCART (1977) y S-Video (1987).

En lugar de Y′UV, se utilizó Y′CbCr como formato estándar para algoritmos de compresión de vídeo (digital) comunes como MPEG-2 . La televisión digital y los DVD conservan sus flujos de vídeo comprimidos en formato MPEG-2, que utiliza un espacio de color Y′CbCr completamente definido, aunque mantiene el proceso establecido de submuestreo de croma. Cinepak , un códec de vídeo de 1991, utilizaba un espacio de color YUV 4:2:0 modificado. El formato de vídeo digital profesional CCIR 601 también utiliza Y′CbCr con la tasa de submuestreo de croma común de 4:2:2, principalmente para compatibilidad con estándares de vídeo analógico anteriores. Este flujo se puede mezclar fácilmente con cualquier formato de salida necesario.

Y′UV no es un espacio de color absoluto . Es una forma de codificar la información RGB, y el color que se muestra depende de los colores RGB utilizados para visualizar la señal. Por lo tanto, un valor expresado como Y′UV solo es predecible si se utilizan colores RGB estándar (es decir, un conjunto fijo de cromaticidades primarias o un conjunto específico de rojo, verde y azul).

Además, la gama de colores y brillos (conocida como gamut y volumen de color) de RGB (ya sea BT.601 o Rec.  709) es mucho menor que la gama de colores y brillos permitida por Y′UV. Esto puede ser muy importante al convertir de Y′UV (o Y′CbCr) a RGB, ya que las fórmulas anteriores pueden producir valores RGB "no válidos", es decir, valores inferiores al 0% o muy superiores al 100% del rango (por ejemplo, fuera del rango estándar de luminancia de 16 a 235 (y de croma de 16 a 240) para televisores y contenido HD, o fuera de 0 a 255 para definición estándar en PC). A menos que se traten estos valores, generalmente se "recortarán" (es decir, se limitarán) al rango válido del canal afectado. Esto cambia el tono del color, lo cual es muy indeseable, por lo que a menudo se considera mejor desaturar los colores problemáticos para que se encuentren dentro de la gama RGB. [ 12 ]

Del mismo modo, cuando un color RGB con una determinada profundidad de bits se convierte a YUV con la misma profundidad de bits, varios colores RGB pueden convertirse en el mismo color Y'UV, lo que provoca una pérdida de información.

Relación con Y′CbCr

Y′UV se usa a menudo como término para YCbCr . Sin embargo, aunque están relacionados, son formatos diferentes con factores de escala diferentes; además, a diferencia de YCbCr, Y'UV ha usado históricamente dos factores de escala diferentes para el componente U frente al componente V. [ 13 ] No se usa matriz escalada en PhotoYCC de Photo CD . U y V son señales bipolares que pueden ser positivas o negativas, y son cero para los grises, mientras que YCbCr generalmente escala todos los canales al rango de 16 a 235 o al rango de 0 a 255, lo que hace que Cb y Cr sean cantidades sin signo donde 128 representa el gris .

Sin embargo, la relación entre ellos en el caso estándar es simple. En particular, los canales Y' de ambos están relacionados linealmente entre sí, tanto Cb como U están relacionados linealmente con (BY), y tanto Cr como V están relacionados linealmente con (RY).

Véase también

Referencias

  1. ↑ "EG 28:1993 - Guía de ingeniería SMPTE - Glosario anotado de términos esenciales para la producción electrónica" . Eg 28:1993 : 1–45 . Mayo de 1993. doi : 10.5594/SMPTE.EG28.1993 . ISBN 978-1-61482-022-2Archivado del original el 30 de noviembre de 2017.
  2. 1 2 Poynton, Charles. "YUV y luminancia consideradas perjudiciales: Una defensa de la terminología precisa en vídeo"
  3. ↑ CIELUV
  4. ↑ Espacio de color CIE 1960
  5. ↑ Macadam, David L. (1 de agosto de 1937). "Transformaciones proyectivas de las especificaciones de color ICI" . Journal of the Optical Society of America . 27 (8): 294– 297. Bibcode : 1937JOSA...27..294M . doi : 10.1364/JOSA.27.000294 . Consultado el 12 de abril de 2014 .
  6. ↑ Maller, Joe. Color RGB y YUV , Referencia de FXScript
  7. ↑ W. Wharton y D. Howorth, Principios de recepción televisiva , Pitman Publishing, 1971, págs. 161-163
  8. ↑ "BT.470: Sistemas de televisión convencionales" . www.itu.int . pág. 9. Consultado el 16 de abril de 2021 . 
  9. ↑ "Estándares y formas de onda de la televisión analógica mundial" . 27 de febrero de 2019. Archivado del original el 27 de febrero de 2019. Consultado el 16 de abril de 2021 .
  10. ↑ "ST 170:2004 - Estándar SMPTE - Para televisión — Señal de vídeo analógica compuesta — NTSC para aplicaciones de estudio" . ST 170:2004 : 1–21 . Noviembre de 2004. doi : 10.5594/SMPTE.ST170.2004 . ISBN 978-1-61482-335-3Archivado del original el 8 de junio de 2018.
  11. ↑ ""Super Hi-Vision" como televisión de próxima generación y sus parámetros de vídeo . Información disponible . Consultado el 1 de enero de 2013 .{{cite news}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  12. ↑ Limitación de las señales de vídeo digital YUV (publicación de la BBC) Autores: VG Devereux https://downloads.bbc.co.uk/rd/pubs/reports/1987-22.pdf
  13. ↑ Poynton, Charles (2003). "YUV y luminancia consideradas perjudiciales". Algoritmos e interfaces de vídeo digital y HDTV (PDF) . Recuperado el 18 de noviembre de 2016 .
  • Poynton, Charles. Ingeniería de vídeo.
  • Colorlab es una herramienta de MATLAB para cálculos de ciencia del color y reproducción cromática precisa (creada por Jesús Malo y María José Luque, de la Universidad de Valencia). Incluye colorimetría tristímulo estándar CIE y transformaciones a diversos modelos de apariencia de color no lineales (CIE Lab, CIE CAM, etc.).
  • Espacio de color YUV, YCbCr, YPbPr y modelos
  • Formatos de color para el procesamiento de imágenes y vídeo: conversión de color entre RGB, YUV, YCbCr y YPbPr.
  • hacktv – biblioteca para la transmisión de televisión analógica mediante radio definida por software