7. Цветовые пространства

Известно, что цветовое изображение требует не менее трех чисел на один пиксел для точной передачи его цвета. Метод, выбранный для представления яркости и цвета, называется цветовым пространством.

Есть три наиболее популярные цветовые модели – это RGB (использующееся в компьютерной графике); YIQ, YUV или YCbCr (использующейся в видеосистемах); и CMYK (использующейся в цветовой печати). Все цветовые пространства могут  быть получены из RGB пространства извлекаемое камерами и сканерами.

RGB

Данное цветовое пространство наиболее широко используется в компьютерной графике. Красный, зеленый и голубой главные компоненты цветов и представляют три размерности данного пространства (рис. 3). Указанная диагональ куба с равными значениями RGB указывает градации серого от черного до белого.

Рис. 3. Куб RGB цветов

Цветовые ЭЛТ и жидкокристаллические дисплеи отображают RGB изображения, отдельно освещая красные, зеленые и голубые компоненты каждого пиксела. Если смотреть на экран с расстояния обычного зрителя, то различные компоненты сливаются в единый «правильный цвет».

RGB пространство подходит для компьютерной графики, т.к. там для формирования цвета как раз и используются эти три компоненты. Однако RGB не очень эффективно, когда речь заходит о реальных изображениях. Дело в том, что для сохранения цвета изображений, необходимо знать и хранить все три компоненты RGB и потеря одной из них сильно исказит визуальное качество изображения. Также при обработке изображений в RGB пространстве не всегда удобно бывает изменить только яркость или контрастность отдельного пиксела, т.к. в этом случае необходимо будет прочитать все три значения компонент RGB, пересчитать их для желаемой яркости и записать обратно. По этим и другим причинам многие стандарты видео используют яркость и два цветоразностных сигнала как цветовую модель, отличную от RGB. Наиболее известными среди таких пространств являются YUV, YIQ и YCbCr. Несмотря на то, что все они связаны между собой, тем не менее имеются некоторые отличия.

YCbCr

Известно, что органы зрения человека менее чувствительны к цвету предметов, чем к их яркости. В цветовом пространстве RGB все три компонента считаются одинаково важными, и они обычно сохраняются с одинаковым разрешением. Однако можно отобразить цветовое изображение более эффективно, отделив светимость от цветовой информации и представив ее с большим разрешением, чем цвет. Поэтому цветовое пространство YCbCr и его вариации является популярным методом эффективного представления цветных изображений.

Буква Y в таких цветовых пространствах обозначает компоненту светимость, которая вычисляется как взвешенное усреднение компонент R, G и B по следующей формуле:

,

где  обозначает соответствующий весовой множитель. Остальные цветовые компоненты по существу определяются в виде разностей между светимостью Y и компонентами R, G и B:

Cb=B-Y,

Cr =R-Y,

Cg=G-Y.

При этом получаются четыре компоненты нового пространства вместо трех RGB. Однако число Cb+Cr+Cg является постоянным, поэтому только две из трех хроматических компонент необходимо хранить, а третью вычислять на основе них. Чаще всего в качестве две искомых цветовых компонент используют Cb и Cr. Преимущество пространства YCbCr по сравнению с RGB заключается в том, что Cb и Cr можно представлять с меньшим разрешением, чем Y, т.к. глаз человека менее чувствителен к цвету предметов, чем к их яркости. Это позволяет сократить объем информации, требуемый для представления хроматических компонент, без заметного ухудшения качества передачи цветовых оттенков изображения. Такой подход к преобразованию цветового пространства дает дополнительный эффект при сжатии цветных изображений. При этом алгоритмы сжатия сначала преобразуют исходное цветовое пространство из RGB в YCbCr, сжимают, а затем при восстановлении обратно преобразуют изображение в цветовое пространство RGB, т.к. оно используется в ЭВМ. При этом формулы для прямого и обратного преобразований выглядят следующим образом:

 прямое преобразование

 обратное преобразование

Отметим, что множитель kg получается из соотношения , а величина компоненты G получается вычитанием суммы Cb и Cr из Y.

Рекомендация ITU-T предлагает следующие коэффициенты:  и . Используя эти значения в данных уравнениях, получаем широко распространенные формулы:

Как отмечалось выше хроматические компоненты Cb и Cr могут быть представлены с меньшим разрешением, чем световая компонента Y. При этом на практике используют следующие форматы их взаимного представления.

Самый очевидный формат это так называемый формат 4:4:4, который означает полную точность в передаче хроматических компонент, т.е. на каждые 4 световые отсчеты Y передаются по 4 отсчета компонент Cb и Cr (рис. 4 а).

а)                                                                        б)

Рис. 4. Расположение хроматических компонент

Другой формат 4:2:2 (YUY2) предполагает, что на каждые 4 отсчета компоненты Y приходится по два отсчета хроматических компонент, расположение которых представлено на рис. 4, б. Данный формат используется для высококачественного цветного видео и используется в стандартах MPEG-4 и H.264.

Наиболее популярный формат сэмплирования 4:2:0 (YV12) каждая компонента Cb и Cr имеет один отсчет на 4 отсчета Y (рис. 5 а, б). Причем отсчеты компонент Cb и Cr, как правило, вычисляются двумя способами. В первом случае выполняется интерполяция по 4 ближайшим отсчетам компонент Cb и Cr для формирования одного отсчета для них (рис. 5, а). Такой подход применяется в стандартах MPEG-1 и H.261, H.263. В другом случае выполняется интерполяция по двум вертикальным отсчетам (рис. 5, б) и применяется в стандарте MPEG-2.

а)                                                                                  б)

Рис. 5. Представление формата 4:2:0

Благодаря экономичному представлению цветных сцен, формат 4:2:0 широко используется во многих потребительских приложениях, таких как видеоконференции, цифровое телевидение, DVD. Поскольку хроматические компоненты отбираются в 4 раза реже компонент яркости, то пространство 4:2:0 YCbCr занимает в 2 раза меньше отсчетов по сравнению с форматом видео 4:4:4 RGB.