Y′UV , también escrito YUV , es el modelo de color que se encuentra en el estándar de televisión en color analógico PAL . Un color se describe como un componente Y′ ( luma ) y dos componentes de croma U y V. El símbolo principal (') indica que la luma se calcula a partir de la entrada RGB corregida por gamma y que es diferente de la luminancia verdadera . [1] Hoy en día, el término YUV se usa comúnmente en la industria informática para describir espacios de color que se codifican utilizando YCbCr . [2]
En los formatos de TV, la información de color (U y V) se agregó por separado a través de una subportadora para que un receptor en blanco y negro aún pudiera recibir y mostrar una transmisión de imagen en color en el formato blanco y negro nativo 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 primarios XYZ . Esto se presta naturalmente al uso de la misma letra en luma (Y′), que se aproxima a un correlato perceptualmente uniforme de la luminancia. Del mismo modo, se eligieron U y V para diferenciar los ejes U y V de los de otros espacios, como el espacio de cromaticidad x e y. Vea 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., es a veces ambiguo y superpuesto.
Todos estos formatos se basan en un componente de luminancia y dos componentes de croma que describen la diferencia de color con respecto al gris. En todos los formatos excepto Y′IQ, cada componente de croma es una versión escalada de la diferencia entre rojo/azul e Y; la principal diferencia radica en los factores de escala utilizados, que están determinados por los colores primarios y el rango numérico previsto (compare el uso de U max y V max en § SDTV con BT.470 con un fijo ).1/2 en YCbCr § R'G'B' a Y'PbPr ). En Y′IQ, el plano UV está rotado 33°.
El Y′UV se inventó cuando los ingenieros querían una televisión en color en una infraestructura en blanco y negro . [6] Necesitaban un método de transmisión de señales que fuera compatible con la televisión en blanco y negro (B&W) y que al mismo tiempo fuera capaz de añadir color. El componente de luminancia ya existía como señal en blanco y negro; a esto le añadieron la señal UV como solución.
La representación UV de la crominancia se eligió 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 las señales U y V le indican al monitor que haga que un color sea más brillante a costa del otro y en qué medida debe cambiarse. Cuanto más altos (o más bajos si son negativos) sean los valores U y V, más saturado (colorido) será el punto. Cuanto más se acerquen los valores U y V a cero, menos cambiará el color, lo que significa que las luces roja, verde y azul serán más igualmente brillantes, produciendo un punto más gris. Este es el beneficio de usar señales de diferencia de color, es decir, en lugar de decir cuánto rojo hay en un color, dice cuánto es más rojo que verde o azul.
A su vez, esto significaba que cuando las señales U y V fueran cero o ausentes, solo se mostraría una imagen en escala de grises . Si se hubieran utilizado R y B, estos tendrían valores distintos de cero incluso en una escena en blanco y negro, lo que requeriría las tres señales portadoras de datos. Esto fue importante en los primeros días de la televisión en color, porque las antiguas señales de televisión en blanco y negro no tenían señales U y V presentes, lo que significa que la televisión en color solo las mostraría como televisión en blanco y negro de fábrica. 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 compatible con todos los equipos, entradas y salidas en blanco y negro existentes. Si el estándar de televisión en color no hubiera utilizado señales de diferencia de color, podría significar que un televisor en color generaría colores extraños a partir de una transmisión en blanco y negro o necesitaría circuitos adicionales para traducir 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 llegaba a través del canal de crominancia (como habría sucedido si se hubieran utilizado señales RB en lugar de señales UV diferenciales), la resolución en blanco y negro se habría visto comprometida. [7]
Las señales UV Y′ se crean normalmente 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 utiliza YIQ , que está además rotado) define las siguientes constantes, [8] derivadas de los primarios y el punto blanco del Sistema M BT.470 utilizando SMPTE RP 177 (las mismas constantes llamadas coeficientes de matriz se utilizaron más adelante en BT.601 , aunque utiliza 1/2 en lugar de 0,436 y 0,615):
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:
Los rangos resultantes de Y′, U y V respectivamente son [0, 1], [− U max , U max ] y [− V max , V max ].
Invertir la transformación anterior convierte Y′UV a RGB:
De manera equivalente, sustituyendo valores por las constantes y expresándolos como matrices se obtienen estas fórmulas para el Sistema M BT.470 (PAL):
Para valores pequeños de Y' es posible obtener valores R, G o B que sean negativos, por lo que en la práctica sujetamos los resultados RGB al intervalo [0,1] o, más correctamente, los sujetamos dentro de Y'CbCr.
En BT.470 se cometió un error porque se utilizó 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 utilizó la aproximación 1/2,03. [10]
Para HDTV, la ATSC decidió cambiar los valores básicos para W R y W B en comparación con los valores seleccionados previamente en el sistema SDTV. Para HDTV, estos valores son proporcionados por Rec. 709. Esta decisión afectó aún más a 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 cuando se convierte 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 esta UHDTV con Rec. El año 2020 cubre un área mucho más grande y, por lo tanto, se derivó su propia matriz para YCbCr (sin YUV/Y′UV, desde el desmantelamiento de la televisión analógica).
BT.709 define estos valores de peso:
Los valores de Umax y Vmax son los de arriba.
Las matrices de conversión para la forma analógica de BT.709 son las siguientes, pero no hay evidencia de que alguna vez se hayan usado en la práctica (en su lugar, solo se usa la forma realmente descrita de BT.709, la forma YCbCr ):
La principal ventaja de los sistemas de luminancia/cromía como el Y′UV y sus parientes el Y′IQ y el YDbDr es que siguen siendo compatibles con la televisión analógica en blanco y negro (en gran medida gracias al trabajo de Georges Valensi ). El canal Y′ guarda todos los datos registrados por las cámaras en blanco y negro, por lo que produce una señal adecuada para su recepción en pantallas monocromáticas antiguas. En este caso, simplemente se descartan los canales U y V. Si se muestra en color, se utilizan los tres canales y se puede decodificar la información RGB original.
Otra ventaja de Y′UV es que se puede descartar parte de la información para reducir el ancho de banda . El ojo humano tiene una sensibilidad espacial relativamente pequeña al color: la precisión de la información de brillo del canal de luminancia tiene un impacto mucho mayor en el detalle de la imagen que se percibe que la de los otros dos. Al comprender esta deficiencia humana, estándares como NTSC y PAL reducen considerablemente el ancho de banda de los canales de crominancia. (El ancho de banda está en el dominio temporal, pero esto se traduce en el dominio espacial a medida que se escanea la imagen).
Por lo tanto, las señales U y V resultantes se pueden "comprimir" sustancialmente. En los sistemas NTSC (Y′IQ) y PAL, las señales de crominancia tenían un ancho de banda significativamente más estrecho 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 a los ojos humanos, mientras que todos los estándares de video analógicos modernos e incluso la mayoría de los estándares de video digitales utilizan submuestreo de croma al registrar 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 (lo que da 4:2:0). El estándar 4:x:x se adoptó debido al primer estándar de color NTSC que usaba 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 tenía solo una cuarta parte de la resolución de color en comparación con la resolución de brillo. Hoy en día, sólo los equipos de alta gama que procesan señales sin comprimir utilizan un submuestreo de croma de 4:4:4 con una resolución idéntica tanto para la información de brillo como de color.
Los ejes I y Q se eligieron de acuerdo con el ancho de banda que necesita la visión humana, siendo uno de los ejes el que requiere más ancho de banda y el otro (afortunadamente a 90 grados) el mínimo. Sin embargo, la demodulación I y Q verdadera era relativamente más compleja, requiriendo dos líneas de retardo analógicas, y los receptores NTSC rara vez la usaban.
Sin embargo, esta estrategia de modulación de color tiene pérdidas , en particular debido a la diafonía entre el cable que transporta la luminancia y el que transporta el croma, y viceversa, en equipos analógicos (incluidos los conectores RCA para transferir una señal digital, ya que todo lo que transportan es vídeo compuesto analógico , que es YUV, YIQ o incluso CVBS ). Además, NTSC y PAL codificaban las señales de color de una manera que hace que las señales de croma y luminancia de alto ancho de banda se mezclen entre sí en un intento de mantener la compatibilidad con los equipos de televisión en blanco y negro, lo que da como resultado el arrastre de puntos y artefactos de color cruzado. 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 de hoy es capaz de mostrar más información de la que contienen estas señales con pérdida. Para mantenerse al día con las capacidades de las nuevas tecnologías de visualización, desde finales de la década de 1970 se hicieron intentos de preservar más 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 (digitales) comunes como MPEG-2 . La televisión digital y los DVD conservan sus secuencias de vídeo comprimidas en el formato MPEG-2, que utiliza un espacio de color Y′CbCr completamente definido, aunque conserva el proceso establecido de submuestreo de croma. Cinepak , un códec de vídeo de 1991, utilizó un espacio de color YUV 4:2:0 modificado. El formato de vídeo digital profesional CCIR 601 también utiliza Y′CbCr a la frecuencia de submuestreo de croma común de 4:2:2, principalmente para compatibilidad con estándares de vídeo analógicos anteriores. Esta secuencia se puede mezclar fácilmente en cualquier formato de salida necesario.
Y′UV no es un espacio de color absoluto . Es una forma de codificar información RGB y el color real que se muestra depende de los colorantes RGB reales utilizados para mostrar la señal. Por lo tanto, un valor expresado como Y′UV solo es predecible si se utilizan colorantes RGB estándar (es decir, un conjunto fijo de cromaticidades primarias o un conjunto particular de rojo, verde y azul).
Además, el rango de colores y brillos (conocido como gama de colores y volumen de color) de RGB (ya sea BT.601 o Rec. 709) es mucho menor que el rango de colores y brillos permitidos 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 por debajo del 0 % o muy por encima del 100 % del rango (por ejemplo, fuera del rango de luminancia estándar de 16–235 (y rango de croma de 16–240) para televisores y contenido HD, o fuera de 0–255 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 ofensivos para que queden dentro de la gama RGB. [12]
Del mismo modo, cuando RGB con una profundidad de bits determinada se convierte a YUV con la misma profundidad de bits, varios colores RGB pueden convertirse en el mismo color Y′UV, lo que genera una pérdida de información.
Y′UV se utiliza a menudo como un término para YCbCr . Sin embargo, aunque están relacionados, son formatos diferentes con diferentes factores de escala; además, a diferencia de YCbCr, Y'UV ha utilizado históricamente dos factores de escala diferentes para el componente U frente al componente V. [13] En PhotoYCC de Photo CD se utiliza una matriz no escalada . U y V son señales bipolares que pueden ser positivas o negativas, y son cero para los grises, mientras que YCbCr normalmente escala todos los canales al rango 16-235 o al rango 0-255, lo que hace que Cb y Cr sean cantidades sin signo que son 128 para los grises.
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).
