مسافات اللون YCBCR – HiSoUR والفن تاريخ معلومات السفر

YCbCr ، Y′CbCr ، أو Y Pb / Cb Pr / Cr ، والمكتوبة أيضًا باسم YC _B C _R أو Y’C _B C _R ، هي مجموعة من مساحات الألوان المستخدمة كجزء من خط أنابيب الصور الملونة في الفيديو والتصوير الرقمي الأنظمة. Y ′ هو مكون luma و CB و CR هما مكونان اللونيان الأزرقان و فرق اللون الأحمر. يتميز Y ′ (مع البرايم) عن Y ، وهو النصوع ، مما يعني أن شدة الضوء غير مشفرة بشكل خطي على أساس تصحيح RGB الأساسي.

يتم تعريف مسافات اللون Y′CbCr بواسطة تحويل إحداثيات رياضية من فضاء لون RGB مقترن. إذا كانت مساحة لون RGB الأساسية مطلقة ، فإن مساحة اللون Y′CbCr هي مساحة ألوان مطلقة أيضًا ؛ في المقابل ، إذا كانت مساحة RGB غير محددة بدقة ، فذلك هو Y′CbCr.

المنطق
يتم تشغيل شاشات أنبوب أشعة الكاثود بواسطة إشارات الجهد الأحمر والأخضر والأزرق ، ولكن إشارات RGB هذه ليست فعالة كتمثيل للتخزين والنقل ، حيث أن لديها الكثير من التكرار.

YCbCr و Y′CbCr هي عملية تقريبية لمعالجة اللون والتوحيد الحسي ، حيث تتم معالجة الألوان الأساسية المقابلة تقريبًا إلى الأحمر والأخضر والأزرق إلى معلومات ذات مغزى محسوس. من خلال القيام بذلك ، يمكن لعمليات معالجة الصور / الفيديو اللاحقة ونقلها وتخزينها القيام بعمليات وإدخال أخطاء بطرق ذات دلالة إحصائية. يُستخدم Y′CbCr لفصل إشارة Luma (Y ′) التي يمكن تخزينها بدقة عالية أو نقلها عند عرض نطاق ترددي عالٍ ، ومكوّنان لونيان (CB و CR) يمكن أن يكونان عرض النطاق الترددي منخفضًا أو مقسمًا جزئيًا أو مضغوطًا أو غير ذلك تعامل بشكل منفصل لتحسين كفاءة النظام.

ومن الأمثلة العملية تقليل عرض النطاق الترددي أو القرار المخصص “للون” مقارنة بـ “الأسود والأبيض” ، لأن البشر أكثر حساسية لمعلومات الأسود والأبيض (انظر مثال الصورة إلى اليمين). وهذا ما يسمى الاختزال الكروي.

YCbCr
أحيانًا يتم اختصار YCbCr إلى YCC. غالباً ما يطلق على Y′CbCr اسم YPbPr عند استخدامه لمقطع فيديو تمثيلي ، على الرغم من أن المصطلح Y′CbCr يُستخدم عادةً لكلا النظامين ، مع أو بدون البرايم.

غالباً ما يتم الخلط بين Y′CbCr ومساحة اللون YUV ، وعادةً ما يتم استخدام المصطلحين YCbCr و YUV بشكل متبادل مما يؤدي إلى بعض الارتباك. والفرق الرئيسي هو أن YUV تناظرية وأن YCbCr رقمي.

تسمى إشارات Y′CbCr (قبل قياسها وإزاحتها لوضع الإشارات في شكل رقمي) YPbPr ، ويتم إنشاؤها من مصدر RGB (أحمر وأخضر وأزرق) المطابق لغاما ، باستخدام ثلاث ثوابت محددة ، KR و KG و KB على النحو التالي:

${\ displaystyle {\ begin {align} Y '& = K_ {R} \ cdot R' + K_ {G} \ cdot G '+ K_ {B} \ cdot B' \\ P_ {B} & = {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ frac {B'-Y '} {1-K_ {B}}} \\ P_ {R} & = {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ frac {R'-Y '} {1-K_ {R}}} \ end {align}}}$
حيث يتم اشتقاق K _R و K _G و K _B عادةً من تعريف مساحة RGB المقابلة والمطلوبة لتلبية ${\ displaystyle K_ {R} + K_ {G} + K_ {B} = 1}$ . (غالباً ما يشار إلى التلاعب بالمصفوفة المكافئة باسم “مصفوفة الألوان”.)

هنا ، تعنى الرموز الأولية استخدام تصحيح جاما ؛ وبالتالي ، تتراوح R ′ و G ′ و B ′ اسميا من 0 إلى 1 ، مع 0 يمثل الحد الأدنى من الشدة (على سبيل المثال ، لعرض اللون الأسود) و 1 الحد الأقصى (على سبيل المثال ، لعرض اللون الأبيض). بعد ذلك ستكون قيمة luma (Y) الناتجة ذات نطاق اسمي من 0 إلى 1 ، وقيم Chroma (PB و PR) سيكون لها نطاق اسمي من -0.5 إلى +0.5. يمكن اشتقاق عملية التحويل العكسي بسهولة عن طريق عكس المعادلات السابقة.

عند تمثيل الإشارات في شكل رقمي ، يتم قياس النتائج وتقريبها ، وعادةً ما تتم إضافة التعويضات. على سبيل المثال ، ينتج القياس والمقياس المطبق على المكون Y لكل مواصفات (مثل MPEG-2) قيمة 16 للسواد وقيمة 235 للأبيض عند استخدام تمثيل 8 بت. يحتوي المعيار على إصدارات رقمية من 8 بتات من CB و CR إلى نطاق مختلف من 16 إلى 240. وبالتالي ، فإن عملية إعادة التصنيف بواسطة الكسر (235-16) / (240-16) = 219/224 تكون مطلوبة أحيانًا عند القيام بمصفوفة الألوان أو المعالجة في مساحة YCbCr ، مما يؤدي إلى تشوهات في التكويد عندما لا يتم تنفيذ المعالجة اللاحقة باستخدام أعماق بتات أعلى.

إن القياس الذي ينتج عنه استخدام نطاق أصغر من القيم الرقمية أكثر مما يبدو مرغوبا فيه لتمثيل النطاق الاسمي لبيانات المدخلات يسمح ببعض “التجاوز” و “الدني” أثناء المعالجة دون الحاجة إلى قصاصات غير مرغوب فيها. يمكن استخدام هذه “الغرفة الرأسية” و “غرفة إصبع القدم” أيضًا لتمديد نطاق الألوان الاسمية ، كما هو محدد من قبل xvYCC.

تستوعب القيمة 235 الحد الأقصى للتجاوز من الأسود إلى الأبيض من 255 – 235 = 20 ، أو 20 / (235 – 16) = 9.1٪ ، وهو أكبر بقليل من الحد الأقصى للتجاوز النظري (ظاهرة جيبس) التي تبلغ حوالي 8.9٪ من الخطوة القصوى. إن غرفة الإصبع أصغر ، مما يسمح فقط ب 16/219 = 7.3٪ من التجاوز ، وهو أقل من الحد الأقصى للتجاوز النظري البالغ 8.9٪.

بما أن المعادلات التي تحدد YCbCr تتشكل بطريقة تقوم بتدوير مكعب اللون RGB الاسمي بالكامل و تحجيمها لتلائم داخل مكعب ألوان أكبر (YCbCr) ، فهناك بعض النقاط داخل مكعب لون YCbCr الذي لا يمكن تمثيله في مجال RGB المقابل (على الأقل ليس ضمن نطاق RGB الاسمي). هذا يسبب بعض الصعوبة في تحديد كيفية تفسير وعرض بعض إشارات YCbCr بشكل صحيح. يتم استخدام قيم YCbCr خارج النطاق هذه بواسطة xvYCC لترميز الألوان خارج نطاق BT.709.

تحويل RGB إلى YCbCr

التحويل ITU-R BT.601
يستمد شكل Y′CbCr الذي تم تعريفه لاستخدام التلفزيون ذي الوضوح المعياري في معيار ITU-R BT.601 (السابق CCIR 601) للاستخدام مع فيديو مكون رقمي من فضاء RGB المقابل على النحو التالي:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {R} & = 0.299 \\ K_ {G} & = 0.587 \\ K_ {B} & = 0.114 \ end {align}}}$
من الثوابت والصيغ المذكورة أعلاه ، يمكن اشتقاق ما يلي في التوصية ITU-R BT.601.

يتم اشتقاق YPbPr التناظري من التناظرية R’G’B على النحو التالي:

${\ displaystyle {\ begin {align} Y '& = & 0.299 \ cdot R' & + & 0.587 \ cdot G '& + & 0.114 \ cdot B' \\ P_ {B} & = - & 0.168736 \ cdot R '& - & 0.331264 \ cdot G' & + & 0.5 \ cdot B '\\ P_ {R} & = & 0.5 \ cdot R' & - & 0.418688 \ cdot G '& - & 0. 081312 \ cdot B '\ end {align}}}$
يتم اشتقاق YCCCr الرقمي (8 بت لكل عينة) من التناظرية R’G’B كما يلي:

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

${\ displaystyle {\ begin {align} (Y '، C_ {B}، C_ {R}) & = & (16،128،128) + (219 \ cdot Y، 224 \ cdot P_ {B}، 224 \ cdot P_ {R }) \\\ نهاية {الانحياز}}}$
تتراوح الإشارات الناتجة من 16 إلى 235 لـ Y ′ (Cb و Cr range من 16 إلى 240) ؛ تسمى القيم من 0 إلى 15 مساحة القدم ، بينما تسمى القيم من 236 إلى 255 بالإرتفاع.

وبدلاً من ذلك ، يمكن استخلاص Y′CbCr الرقمي من R’dG’dB’d الرقمي (8 بت لكل عينة ، كل منها يستخدم النطاق الكامل مع صفر يمثل الأسود و 255 يمثل الأبيض) وفقًا للمعادلات التالية:

${\ displaystyle {\ begin {align} Y '& = & 16 & + & {\ frac {65.738 \ cdot R' _ {D}} {256}} & & & & {& f {129.057 \ cdot G '_ {D} } {256}} & + & {\ frac {25.064 \ cdot B '_ {D}} {256}} \\ C_ {B} & = & 128 & - & {\ frac {37.945 \ cdot R' _ {D} } {256}} & - & {\ frac {74.494 \ cdot G '_ {D}} {256}} & + & {\ frac {112.439 \ cdot B' _ {D}} {256}} \\ C_ {R} & = & 128 & + & {\ frac {112.439 \ cdot R '_ {D}} {256}} & - & {\ frac {94.154 \ cdot G' _ {D}} {256}} & - & {\ frac {18.285 \ cdot B '_ {D}} {256}} \ end {align}}}$
في الصيغة المذكورة أعلاه ، يتم ضرب عوامل القياس ${\ frac {256} {255}}$ . هذا يسمح للقيمة 256 في المقام ، والتي يمكن حسابها من خلال bitshift واحدة.

إذا كان مصدر R’d G’d B’d الرقمي يشتمل على مساحة للأقدام والإرتفاعات ، فيجب إزاحة إزاحة القدم 16 أولاً من كل إشارة ، وعامل مقياس ${\ frac {255} {219}}$ يحتاج إلى أن تدرج في المعادلات.

التحويل العكسي هو:

${\ displaystyle {\ begin {align} R '_ {D} & = & {\ frac {298.082 \ cdot Y'} {256}} &&& + & {\ frac {408.583 \ cdot C_ {R}} {256} } & - & 222.921 \\ G '_ {D} & = & {\ frac {298.082 \ cdot Y'} {256}} & - & {\ frac {100.291 \ cdot C_ {B}} {256}} & - & {& foc {208.120 \ cdot C_ {R}} {256}} & + & 135.576 \\ B '_ {D} & = & {\ frac {298.082 \ cdot Y'} {256}} & + & {\ frac {516.412 \ cdot C_ {B}} {256}} &&& - & 276.836 \ end {align}}}$
يكون التحويل العكسي بدون أي تقريب (باستعمال قيم آتية مباشرة من توصية ITU-R BT.601):

${\ displaystyle {\ begin {align} R '_ {D} & = & {\ frac {255} {219}} \ cdot (Y'-16) &&&&&&& + & {\ frac {255} {112}} \ cdot 0.701 &&&& \ cdot (C_ {R} -128) \\ G '_ {D} & = & {\ frac {255} {219}} \ cdot (Y'-16) & - & {\ frac {255} } {112}} \ cdot 0.886 && \ cdot {\ frac {0.114} {0.587}} && \ cdot (C_ {B} -128) & - & {\ frac {255} {112}} \ cdot 0.701 && \ cdot {\ frac {0.299} {0.587}} && \ cdot (C_ {R} -128) \\ B '_ {D} & = & {\ frac {255} {219}} \ cdot (Y'-16 ) & + & {& frac {255} {112}} \ cdot 0.886 &&&& \ cdot (C_ {B} -128) \ end {align}}}$
يستخدم هذا النموذج من Y′CbCr في المقام الأول لأنظمة التلفزيون ذات التعريف المعياري الأقدم ، حيث إنه يستخدم نموذج RGB الذي يناسب خصائص انبعاث الفوسفور للـ CRTs القديمة.

التحويل ITU-R BT.709
تم تحديد شكل مختلف من Y′CbCr في المعيار ITU-R BT.709 ، خاصةً لاستخدام التلفزيون عالي الوضوح. يتم استخدام النموذج الأحدث أيضًا في بعض التطبيقات الموجهة للكمبيوتر. في هذه الحالة ، تختلف قيم Kb و Kr ، لكن الصيغ لاستخدامها هي نفسها. بالنسبة إلى ITU-R BT.709 ، فإن الثوابت هي:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {B} & = 0.0722 \\ K_ {R} & = 0.2126 \\ (K_ {G} & = 1-K_ {B} -K_ {R} = 0.7152) \ end {الانحياز}}}$
يعتمد هذا النموذج من Y′CbCr على نموذج RGB الذي يناسب أكثر خصائص انبعاث الفوسفور من CRTs الأحدث ومعدات العرض الحديثة الأخرى.

كما تختلف تعريفات إشارات R ‘و G’ و B ‘بين BT.709 و BT.601 ، وتختلف داخل BT.601 اعتمادًا على نوع نظام التلفزيون المستخدم (625 خطًا كما هو الحال في PAL و SECAM أو 525 خط كما في NTSC) ، وتختلف عن غيرها في المواصفات الأخرى. في تصميمات مختلفة توجد اختلافات في تعريفات إحداثيات اللونية R و G و B والنقطة البيضاء المرجعية ونطاق التدرج المدعم ودالات تعويضية ما قبل الغاما بالضبط لاشتقاق R ‘و G’ و B ‘من R ، G ، و B ، وفي التحجيم والإزاحات التي سيتم تطبيقها أثناء التحويل من R’G’B ‘إلى Y′CbCr. لذا فإن التحويل الصحيح لـ Y′CbCr من نموذج إلى آخر لا يقتصر على مجرد قلب مصفوفة واحدة وتطبيق الآخر. في الواقع ، عندما يتم تصميم Y′CbCr بشكل مثالي ، يتم اشتقاق قيم KB و KR من المواصفات الدقيقة للإشارات الأولية للون RGB ، بحيث تقابل إشارة luma (Y ′) أقرب ما يمكن لقياس غاما المعدل من الإنارة (يعتمد عادة على قياسات CIE 1931 لاستجابة النظام البصري البشري لمحفزات اللون).

التحويل ITU-R BT.2020
يحدد المعيار ITU-R BT.2020 كلا من Y′CbCr المصححة بأشعة جاما وإصدار YCbCr المشفر الخطي المسمى YcCbcCrc. يمكن استخدام YcCbcCrc عندما تكون الأولوية القصوى هي الاحتفاظ الأكثر دقة بمعلومات النصوع. بالنسبة لـ YcCbcCrc ، تكون المعاملات:

${\ displaystyle {\ begin {align} K_ {B} & = 0.0593 \\ K_ {R} & = 0.2627 \ end {align}}}$
تحويل JPEG
يدعم استخدام JFIF لـ JPEG Y′CbCr حيث يكون Y ′ و CB و CR يمتلكان نطاقًا كاملاً من 8 بتات [0… 255]. فيما يلي معادلات التحويل معبرة لستة أرقام عشرية من الدقة. (بالنسبة إلى المعادلات المثالية ، انظر ITU-T T.871.) لاحظ أنه بالنسبة إلى الصيغ التالية ، يكون نطاق كل مدخلات (R ، G ، B) هو النطاق الكامل 8 بتات من [0… 255].

${\ displaystyle {\ begin {align} Y '& = & 0 & + (0.299 & \ cdot R' _ {D}) & + (0.587 & \ cdot G '_ {D}) & + (0.114 & \ cdot B' _ {D}) \\ C_ {B} & = & 128 & - (0.168736 & \ cdot R '_ {D}) & - (0.331264 & \ cdot G' _ {D}) & + (0.5 & \ cdot B ' _ {D}) \\ C_ {R} & = & 128 & + (0.5 & \ cdot R '_ {D}) & - (0.418688 & \ cdot G' _ {D}) & - (0.081312 & \ cdot B ' _ {D}) \ نهاية {الانحياز}}}$
والعودة:

${\ displaystyle {\ begin {align} R '_ {D} & = & Y' &&& + 1.402 & \ cdot (C_ {R} -128) \\ G '_ {D} & = & Y' & - 0.344136 & \ cdot (C_ {B} -128) & - 0.714136 & \ cdot (C_ {R} -128) \\ B '_ {D} & = & Y' & + 1.772 & \ cdot (C_ {B} -128) & \ نهاية {الانحياز}}}$

CbCr الطائرة في ص = 0.5

Y = 0.5

ملحوظة: عندما يكون Y = 0 و R و G و B يجب أن يكونا صفراً ، فإن Cb و Cr يمكن أن يكونا صفراً فقط. وبالمثل ، عندما يكون Y = 1 و R و G و B يجب أن يكون 1 ، وبالتالي فإن Cb و Cr يمكن أن يكونا صفراً فقط.

على عكس R و G و B ، فإن قيم Y و Cb و Cr ليست مستقلة ؛ اختيار قيم YCbCr قد يؤدي بشكل تعسفي إلى واحد أو أكثر من قيم RGB خارج النطاق ، أي أكبر من 1.0 أو أقل من 0.0.