Цветовое видео
Видео оборудование имеет некоторые сходства с компьютерными графическими мониторами в том смысле, что изображение является таблицей пикселов на RGB мониторе. Однако, имеются различия, касающиеся механизмов кодирования сигнала и методов работы в этой отрасли промышленности. Привычное звучание терминов может иметь новые, отличные значения в контексте для видео оборудования.
Потому что анимационные последовательности компьютерной графики часто хранятся как видео, полезно иметь некоторое представление о технологии видео, поскольку это касается использования цвета. В то время как компьютерная графика может быть разработана со свойственными ограничениями передачи информации в памяти. Следует помнить, что самое лучшее профессиональное видео оборудование даст намного худшую разрешающую способность и точность воспроизведения цвета, чем даже скромная графическая рабочая станция.
5.2.1 Телевизионные мониторы.
Цвета определены в RGB пространстве стандартизированных телевизионных мониторов, цветности люминофоров, белая точка, и значение гаммы которых жестко закреплены соответствующей организацией стандартов. Это дает возможность инженеру надежно проверить качество в любой студии. Это также дает возможность создавать компьютерную графику по этим стандартам так, что она будет выглядеть правильной при просмотре. Таблица 3 показывает характеристики для трех популярных стандартов.
| Red x,y | Green x,y | Blue x,y
| |||||
| NTSC | 0-670 0-330 | 0-210 0-710 | 0-140 0-080 | ||||
| SMPTE | 0-630 0-340 | 0-310 0-595 | 0-155 0-070 | ||||
| EBU | 0-640 0-330 | 0-290 0-060 | 0-150 0-060 |
Таблица 3: Цветности стандартных телевизионных мониторов
Стандарты телевещания в Соединенных Штатах Америки определены Национальным Комитетом Телевизионных Систем (NTSC). NTSC стандарт также используется в других странах, типа Японии. Он определяет источник света C для белой точки и значение гаммы 2.2.
Великобритания и Европа используют стандарты, установленные Европейским Телевещательным Союзом (ПАЛ).
Они используют белую точку D65 и гамму 2.2. Цветовая коррекция в современных студиях выполняется на студийном мониторе, который соответствует требованиям Общества Кино и Телевизионных Инженеров (SMPTE).
Гаммы этих трех мониторов показаны на рисунке 45. Чтобы обеспечивать правильный цвет при высоком качестве компьютерной графики, МКО XYZ значения должны быть преобразованы к RGB с использованием цветностей монитора SMPTE.
 |
5.2.2 Гамма-коррекция (коррекция цветового диапазона)
В отличие от общей практики в компьютерной графике, где гамма-коррекция осуществляется непосредственно перед отображением, RGB сигналы, которые должны быть записаны на видео, подвергаются гамма-коррекции перед кодированием. Альтернативный вариант требовал бы схему гамма-коррекции в каждом воспроизводящем мониторе и, если бы сигнал должен был бы передаваться по телевидению, в каждом телевизоре. Проще и эффективнее производить отдельную устойчивую, точную коррекцию в студии.
Поэтому важно то, что компьютерные графические изображения, которые должны записываться на видео, предварительно будут гамма-корректироваться. Гамма-коррекция в контексте компьютерной графики обсуждается в Приложении A. В то время как любое произвольное преобразование может применяться к компьютерному графическому изображению, стандарты для видео принимают те входные сигналы, которые исходят от телевизионной камеры, и ту гамма-коррекцию, которая будет выполнена электронной схемой. График идеального степенного закона в начале координат вертикальный, что соответствует бесконечному усилению в схеме. Ясно, что этого невозможно достичь, и это вызвало бы серьезные проблемы с усилением шума, поэтому гамма-коррекция в контексте видео использует модифицированный степенной закон с линейным участком в начале. Чтобы сохранять совместимость, то же самое преобразование должно использоваться для компьютерной графики, которая должна быть сохранена на видео.
Формулы, приведенные ниже, определены CCIR Rec. 709, международным эталоном для телевидения высокой четкости (HDTV). Более ранние стандарты видео имеют менее точные определения для гамма-коррекции, игнорирующие проблему бесконечного усиления.
CCIR Rec. 709 формализует диапазон сходных значений, используемых в современном студийном оборудовании, и эти уравнения подходят для использования в компьютерной графике. Для значений в диапазоне от 0.018 до 1.0:
Rg= 1.099 R0.45
0.099
Gg= 1.099 G0.45
0.099
Bg= 1.099 B0.45
0.099
Для значений в диапазоне от 0.0 до 0.017, наклон кривой ограничен до 4.5:
Rg= 4·5 R
Gg= 4·5 G
Bg= 4·5 B
5.2.3 Ширина полосы пропускания
В компьютерной графике об изображении думают как о двумерном массиве пикселов, каждый из которых может быть любого цвета. Это просто и наглядно, и, благодаря быстрому обновлению данных, мы визуально не замечаем смены кадра. В видеозаписи об изображении думают как о форме сигнала, которая характеризует то, как интенсивность или цвет изображения изменяется, когда электронный луч пробегает по экрану дисплея. Поскольку строки на экране отслеживаются последовательно, об изображении в видео терминах думают как о одномерной форме волны.
Медленно изменяющееся изображение соответствует низкочастотной форме волны. Чем большие изменения между одним пикселом и следующим, тем выше требуемая частота, чтобы кодировать его, и, тем самым, большая общая полоса пропускания. Это фундаментальное различие между компьютерной графикой и видео; смежные пикселы в каждой горизонтальной растровой строке связаны между собой. Нет однако никакой специальной связи между пикселом и пикселом выше или ниже его. Они находятся на различных растровых строках.
Типичное компьютерное графическое изображение, где смежные пикселы могут быть полностью различны, требует чрезвычайно высокой пропускной способности, чтобы отображать это. В видеозаписи доступная пропускная способность строго ограничена и поэтому величина, на которую один пиксел может измениться относительно того, который предшествовал ему, ограничена.
Максимальное число пикселов в растровой строке 768, а эффективность горизонтальной разрешающей способности будет таким образом меньше.
5.2.4 Частота обновления
Типичный компьютерный графический монитор может иметь вертикальную разрешающую способность 1024 строки и обновляться 72 раза в секунду или больше. Это означает, что 1024*72 = 73728 растровых строк обновляются каждую секунду. Видеомагнитофон имеет 625 линий, из которых 50 используются для других целей, и регенерируется(обновляется) 25 раз в секунду; другими словами он может отводить только (625 - 50)*25 = 14375 растровых строки в секунду.
Чтобы уменьшать нежелательное мерцание, сначала выводятся четные строки развертки, затем следует вывод нечетных строк развертки. Это увеличивает эффективную скорость регенерации изображения до 50 раз в секунду при условии, что имеется некоторая корреляция между одной растровой строкой и следующей. Это часто имеет место, когда изображение получено из камеры, но менее вероятно в компьютерном графическом изображении. Горизонтальные линии, которые имеют ширину одного пиксела, будут заметно мерцать. Эффективность горизонтальной разрешающей способности таким образом уменьшается от 575 до 200 - 300.
5.2.5 Видео сигнал яркости
Цвета преобразуются из
RGB в видео сигнал яркости и два разностные
цветовые сигнала. Это подобно кодированию трех цветовых сигналов в сигнал яркости и разностные сигналы цвета
в глазе, которые были
описаны в разделе
2.6, и выполняется по той же самой причине: максимально использовать
доступную информационную пропускную способность.
Как первоначально рассчитано в 1950-ых, кодирование сигнала яркости соответствует сумме яркостного сигнала от каждого люминофора, использующего соотношения цветов исходного NTSC телепередающего монитора.
Это дает формулу для видео сигнала яркости, который есть:
Y = 0·299 Rg+ 0·587 Gg+ 0·114 Bg
Это теперь стандартизовано (CCIR Rec. 601-1), и декодеры, выполняющие эту операцию, встраиваются во все видеомагнитофоны и телевизоры.
За последние годы люминофоры, используемые в цветных телевизорах, изменились, таким образом современные телевизоры полностью отличаются от первоначальных NTSC (Национальный комитет телевизионных систем). Чтобы обеспечивать более успешный цветовой мониторинг, Общество Кино и Телевизионных инженеров (SMPTE) издало стандартное практическое руководство, которое определило новые цветности, показанные в таблице 3. Цветовая балансировка теперь выполняется с использованием SMPTE телевизионного монитора. Т.к. монитор NTSC не является представителем современных телепередающих мониторов или телевизоров, видео сигнал "яркости" больше не имеет правильной формулы, чтобы вычислять сигнал яркости, который будет измерен у монитора. Кроме создания лишь оптимального использования информационной пропускной способности системы, это больше никак не используется. Более важно, что кодер и декодер работают правильно в комплекте друг с другом.
Используйте выше упомянутую формулу, чтобы вычислить видео сигнал яркости, который будет записываться на ленту. Это не зависит от монитора, который используют для цветовой балансировки.
Чтобы вычислить фактический измеряемый сигнал яркости, например, чтобы преобразовать полное цветовое изображение к шкале градаций серого, вычисляйте его непосредственно из цветностей обсуждаемого монитора, используя процедуру в Приложении B. Например, для SMPTE монитора формула была бы:
Y = 0·2122 R + 0·7013 G + 0·0865 B
Заметьте, что значения RGB в этой формуле не требуют гамма-коррекции. Неудачно, что символ Y имеет эти два связанных, но различных (различимых) значения. Цветность видео сигнала яркости Y является в системе белой точкой (обычно D65), в то время как МКО Y основной цвет является мнимым цветом с цветностью u¢ = 0, v¢ = 0 6.
Как дополнительная ловушка для неосторожного, HDTV будет использовать различную формулу для видео сигнала яркости. Новый стандарт (SMPTE 240M) для высококачественного видео и системы телевидения не требует поддерживать совместимость с установленной базовой системой прежних декодеров.
Так что кодирование видео сигнала яркости было рассчитано из множества мониторов SMPTE:
Y = 0·2122 Rg + 0·7013 Gg + 0·0865 Bg
5.2.6 Сигналы цветности в видео
Имея яркостной видео сигнал, другие два канала требуются, чтобы нести достаточную информацию для восстановления первоначальных значений RGB. Они называются цветоразностными сигналами, т.к. они были первоначально связаны цветовым различием между кодируемым цветом и белой точкой. Это больше не имеет место потому, что видео сигнал яркости больше не равен сигналу яркости МКО. Сигналы цветности производятся вычитанием видео сигнала яркости из любых двух из трех (RGB) каналов. Зеленый делает наибольший вклад в видео сигнал яркости, поэтому именно красный и синий каналы используются, чтобы формировать сигналы цветности.
C1 = Rg Y
C2 = Bg Y
Из-за этих формул, цветоразностный сигнал также иногда называется цветовым контрастом.
Ясно, сигналы цветности могут быть положительные или отрицательные. Подстановка значений RGB основных (красный, зеленый, синий) и вторичных (голубой, сиреневый, желтый) цветов в эти уравнения показывает, что C1 изменяется между ±0 866 и C2 между ±0 701.
Преобразование RGB сигнала к сигналу яркости (Y) и двум сигналам цветности (C1 C2) является линейным обратимым процессом и является точкой отсчета для всего видео кодирования. Cамо по себе это не создает ограничений или искажений цветового качества, хотя более поздние стадии конечно делают это.
5.2.7 Аналоговое видео
Эти видео системы записывают раздельно три составляющие сигнала - видео сигнал яркости и две видео цветности, таким образом при воспроизведении изображение выглядит очень похожим на первоначальный RGB сигнал. Основными ограничениями являются: отношение полезного сигнала к уровню шума, стабильность и линейность аналоговой системы записи. Более дорогостоящее профессиональное телевизионное оборудование дает лучшее изображение, чем оборудование промышленного типа.
Этот тип системы используется для профессионального видео оборудования. Примеры - система Sony Betacam, широко используемая для электронного сбора новостей и создания записей студийного
качества, и Panasonic MII система.
В аналоговой составляющей записи, составляющие сигнала цветности масштабируются так, чтобы несколько некорректный минимум и максимум значений стал ± 0,5:
Pb = 0,5 / (1 0,114) C1
Pr = 0,5 / (1 0,299) C2
Дополнительно Pb
и Pr компоненты субдискретизируются с коэффициентом два, давая сжатие сигнала. Это ограничение полосы пропускания подобно замене пар пикселов их средними цветами. Однако, видимый результат ухудшения качества от этого меньше, чем казалось бы, поскольку видео сигнал яркости остается нетронутым. Субдискретизация выполняется только на составляющих сигнала цветности. Человеческий глаз слаб при идентификации чрезвычайно малых областей цвета и может видеть только различие в яркости. В том значении, в каком видео сигнал яркости определяет яркость видео сигнала (степень светлоты и темноты изображения), эта оптимизация успешная. Результат - очень небольшое замазывание малых деталей в изображении.
5.2.8 Цифровое видео
Подобно аналоговому видео, три компоненты хранятся раздельно и составляющие цветности субдискретизируются с коэффициентом два. Разрешающая способность фиксирована числом используемых битов, чтобы закодировать каждую компоненту. Имеются два определенных метода, 8 битов или 10 битов на компоненту; в настоящее время используются только 8 разрядные формы.
Видео сигнал яркости записывается как 8 разрядное число без знака, а составляющие цветности - как 8 разрядные числа со знаком. Однако не все 256 кодов используются; стандарты для цифровой видео составляющей CCIR Rec. 601-1 и CCIR Rec. 656 точно определяют то, что некоторые коды в верхнем и нижнем диапазонах остаются неиспользованными для начального и конечного блока данных.
Y = 219 Y + 16
Cr = 224 C1 + 128
Cb = 224 C2 + 128
Большим преимуществом цифрового видео является отсутствие шума и возможность копирования много раз без ухудшения качества. Записывающее оборудование цифрового видео, однако, значительно дороже, чем аналоговое оборудование.
Если компьютерную графику делают специально для записи цифрового видео, значения R G и B должны быть гамма-корректированными как значения с плавающей запятой, затем преобразованы непосредственно в диапазон от 16 до 226, а не обычный от 0 до 255. Это исключает появление ошибок от двукратного округления.
Три составляющие могут затем быть рассчитаны непосредственно:
Y = (77Rg + 150Gg + 29Bg ) / 256
Cb = (131Rg 110Gg 21Bg + 128) / 256
Cr = (44Rg 87Gg + 131Bg + 128) / 256
Другие системы, которые используют YCbCr, или производные этого, включают JFIF формат изображения из JPEG и формат PhotoCD из Kodak.
