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NachrichtenLexikonProtokolleBücherForenFreitag, 31. Oktober 2014 

YUV-Farbmodell


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Das YUV-Farbmodell (auch YCbCr oder YPbPr ) verwendet zur Darstellung der Farbinformation zwei die Luminanz und die Chrominanz wobei die wiederum aus zwei Komponenten besteht. Die Entwicklung YUV-Farbmodells geht auf die Entwicklung des Farbfernsehens NTSC PAL ) zurück wo nach Wegen gesucht wurde zum Schwarz/Weiß-Signal die Farbinformation zu übertragen um Abwärtskompatibilität mit alten Fernsehgeräten zu erreichen. Heute das YUV-Farbmodell verschiedenen Formaten der digitalen Bild- und Video-Kompression das Ausgangsformat bei Dekodierung und das Endformat bei der Kodierung.

Inhaltsverzeichnis

Grundprinzip

Die aus dem RGB-Farbraum bekannten Grundfarben sind die Grundbasis für Berechnungen. Das Luminanzsignal auch Leuchtdichte-Signal ist die Summe der drei Grundfarben Rot Grün und Blau und enthält die Helligkeitsinformation .

Y=R+G+B
Die genaue Berechnung ist jedoch komplizierter einige Aspekte des Farbensehens des menschlichen Auges berücksichtigt werden müssen. wird Beispielsweise Grün heller wahrgenommen als Rot dieses heller als Blau. Weiterhin wird bei Systemen zunächst eine Gammakorrektur der Grundfarben vorgenommen.

Die Crominanzsignale auch Farbdifferenzsignale enthalten die Farbinformation . Sie entstehen aus der Differenz Blau Luminanz bzw. Rot minus Luminanz.

U=B-Y
V=R-Y
Aus den drei erzeugten Komponenten Y und V können später wieder die einzelnen der Grundfarben berechnet werden:
Y + U = Y + ( - Y ) = Y - Y B = B
Y + V = Y + ( - Y ) = Y - Y R = R
Y - B - R = ( + G + B ) - B R = G

Weiterhin ergibt sich durch den Aufbau Netzhaut des menschlichen Auges dass die Helligkeitsinformation einer höheren Auflösung wahrgenommen wird als die sodass viele auf dem YUV-Farbmodell aufbauende Formate Komprimierung der Chrominanz vornehmen um Bandbreite bei Übertragung einsparen zu können.

Einsatz bei analogem Farbfernsehen

Zur Berechnung des Luminanz-Signals werden die RGB -Daten zunächst mit dem Gamma-Wert des Ausgabegerätes man erhält ein R'G'B'-Signal. Die drei Einzelkomponenten mit unterschiedlicher Gewichtung addiert um die Helligkeitsinformation bilden die als BAS-Signal auch bei alten funktioniert. Als vereinfachtes Beispiel (verschiedene Standards verwenden unterschiedliche Gewichtungsfaktoren):

Y´ = 0 30 · R´ + 0 59 · + 0 11 · B´.
Die Berechnung der Chrominanz-Komponenten erfolgt nun Berücksichtigung dieser Gewichtungen:
U´ = 0 62 · R´ - 0 59 · G´ - 0 10 · B´
V' = - 0 15 · R´ - 0 29 · G´ + 0 44 · B´

Die beiden Chrominanz-Komponenten werden danach per Quadraturmodulation auf einen gemeinsamen Farbträger moduliert wobei dem Luminanz-Signal eine geringere Bandbreite verwendet wird.

Auch die NTSC -Norm verwendet dasselbe Grundprinzip verwendet jedoch andere für die einzelnen Komponenten die dann als YIQ bezeichnet werden.

Digitale Bildformate

Die Bildauflösung ist standardisiert durch das Common Interchange ( CIF ).

Formeln zur Umrechnung für das YUV

Computer RGB oder auch "full-scale" RGB benutzt 8 Bits für jeden einzelnen roten grünen und blauen Kanäle. Schwarz erhält somit aus R=G=B=0 und Weiß aus R=G=B=255. 4:4:4 YUV Format benutzt 8 Bits für der Y U und V Kanäle. Der Kanal reicht von Blau bis Gelb und der V Kanal von Rot bis Gelb. Weil Gelb aus Rot Grün besteht werden Grün und Rot jeweils und Blau nur einfach gesendet.
Foreman YUV 4:2:0 a alle Kanäle b 4:2:0 nur Y-Kanal c YU-Kanal d YV-Kanal

Formeln für die Konvertierung von 8-Bit zu YUV 4:4:4:

<math>Y=\mbox{round}(0{ }256788\cdot R+0{ }504129\cdot G+0{ }097906\cdot

<math>U=\mbox{round}(-0{ }148223\cdot R-0{ }290993\cdot G+0{ }439216\cdot

<math>V=\mbox{round}(0{ }439216\cdot R-0{ }367788\cdot G-0{ }071427\cdot

In guter Näherung kann man auch Formel verwenden:

<math>Y=((66\cdot R+129\cdot G+25\cdot B+128)>>8)+16</math>

<math>U=((-38\cdot R-74\cdot G+112\cdot B+128)>>8)+128</math>

<math>V=((112\cdot R-94\cdot G-18\cdot B+128)>>8)+128</math>

Die Rückkonvertierung von YUV 4:4:4 zu RGB läßt sich wie folgt ableiten. Dabei zunächst eine Vereinfachung vorgenommen:

<math>C = Y - 16\qquad\qquad D U - 128\qquad\qquad E = V -

Durch Umformung gewinnt man:

<math>R=\mbox{clip}(\mbox{round}(1{ }164383\cdot C+1{ }596027\cdot E))</math>

<math>G=\mbox{clip}(\mbox{round}(1{ }164383\cdot C-(0.391762\cdot D)-(0{ }812968 \cdot

<math>B=\mbox{clip}(\mbox{round}(1{ }164383\cdot C+2{ }017232\cdot D))</math>

Wobei clip() bedeutet dass nur Werte zwischen 0 255 vorkommen dürfen. Negative Werte werden zu und Werte größer als 255 zu 255. kann die Konvertierung mit guter Näherung vereinfacht

<math>R=\mbox{clip}((298\cdot C+409\cdot E+128)>>8)</math>

<math>G=\mbox{clip}((298\cdot C-100\cdot D-208\cdot E+128)>>8)</math>

<math>B=\mbox{clip}((298\cdot C+516\cdot D+128)>>8)</math>

YUV Abtastfrequenz für Luminanz und Chrominanz

Einer der großen Vorteile von YUV dass die Abtastrate der Chrominanz Kanäle niedriger die des Y Kanals sein kann ohne es zu einer spürbaren Verringerung der zu Qualität kommt (Chroma-Sub sampling ).

  • YUV 4:4:4 heißt die Abtastfrequenz des Kanals wird nicht verringert.
  • YUV 4:2:2 heißt die Abtastfrequenz des Kanals wird horizontal im Verhältnis 2:1 verringert vertikal bleibt sie erhalten. Somit enthält jede vier Y Werte für alle zwei U V Werte.
  • YUV 4:2:0 heißt die Abtastfrequenz des Kanals wird sowohl horizontal als auch vertikal Verhältnis 2:1 verringert.
  • YUV 4:1:1 heißt die Abtastfrequenz des Kanals wird vertikal im Verhältnis 2:1 verringert horizontal bleibt sie erhalten. Jedoch ist dieses eher unüblich.
Zur Beschreibung wird eine so genannte Notation verwendet. Sie gibt wieder wie oft und V im Vergleich zu Y Abgetastet
YUV a 4:4:4 b 4:2:2 c 4:2:0 d 4:2:0 MPEG-2 Abtastpositionen.

Weblinks

YUV 4:2:0 Streams

Open Source YUV Viewer

  • A Java (with Java Native Interface (JNI)) YUV Viewer

License: GNU General Public License (GPL)

Siehe auch: RGB-Farbraum HSV-Farbraum CMYK-Farbmodell



Bücher zum Thema YUV-Farbmodell

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