U7: YCbCr-Farbmodell

Von JAESMINDA:

U7. YCbCr-Farbmodell (ro. Buch, Kap. 11, ab S.814)

Definition
ist ein Helligkeit-Farbigkeit-Modell
damals Farbmodell für Digitalfernseh entwickelt
      Norm: PAL (=Phase Alternating Line = Verfahren zur Farbüber-
    tragung bei Analogfernseh, Ziel: störende Farbton-Fehler 
    automatisch zu kompensieren)
heute auch für Aufnahmen von analogen und digitalen Videos/JPG/DVD
Wofür YCbCr?
Verfahren indem Farbtöne weggelassen werden, die der Mensch (physisch) nicht wahrnehmen kann = „Color-Subsampling“ (=Farb-Unterabtastung)
aber warum weglassen?? = da menschl. Auge Helligkeitsunterschiede deutlich besser wahrnehmen kann als Farbtonunterschiede oder Sättigungsunterschiede
weglassen von Farbtönen bedeutet verlustbehaftete Kompression der Datenmenge 
Datei ist nach Kompression nicht mehr 1:1 herstellbar
durch zu starkes Komprimieren (Wegfall von Bilddaten) können Bildfehler entstehen= ARTEFAKTE
im Modell RGB ist Helligkeit in allen drei Kanälen enthalten
bei der Fernseh-/Videotechnik soll Helligkeit als eigenes Signal zur Verfügung stehen
analoges Signal nicht sendefähig, muss erst im Studio bearbeitet werden
Von  RGB zum analogen Signal YUV
Y lässt sich aus : Y= 0,3 R + 0,59 G + 0,11 B errechnen
Grün trägt knapp 60% Anteil zur Helligkeit bei
um Farbe zu beschreiben werden aus
Von  RGB zum digitalen Signal YCbCr
Modell zerlegt Bilder in 3 Komponenten = Y (Helligkeit) und Cb Cr 
(2 Farbkomponenten)
Y = Grundhelligkeit => entspricht Helligkeitsempfindlichkeit des 
Auges
Cb = Blue-Yellow Chrominance 
Cr = Red-Green Chrominance
Formel:
    Y          0        1        R
    Cb    =    128    +    0    x    G
    Cr     =   128        0        B

Ohne Matrizenschreibweise sieht die Umrechnung wie folgt aus:

Y' = (0,299) * R' + (0,587) * G' + (0,114) * B'

Cb = -(0,168) * R' - (0,330 )* G' + (0,498) * B' + 128

Cr = (0,498) * R' - (0,417) * G' - (0,081) * B' + 128

„Verschiebewert“ um von RGB in den YCbCr-Farbraum umrechnen zu können (128=Mittelwert, da Wert für neutrales Grau)
Überführung von analog in digital
Sampling (Abtastung) des Analogsignals (mit 13,5 MHz) = Abtastung erfolgt mit hoher Frequenz da Bilder viele Informationen enthalten
Digitalisierung erfolgt mit 8 oder 10 Bit
 

Digitalisierungsmöglichkeiten
4:4:4
- die 3 Signale Y Cb Cr werden mit jeweils der gleichen Abtastfrequenz (13,5Mhz) digitalisiert 
= beste Bildqualität
= höchste Datenmenge
= im Profibereich
4:2:2
- Cb und Cr werden „Color-gesampled“ = halbe Abtastfrequenz
- d.h. für 4px werden zwar alle Helligkeitswerte, aber nur jeweils 2 Farbwerte abgespeichert
= außgehend vom 1. Verfahren: Datenmenge wird um 33% verringert
= Semiprofibereich - Profibereich
4:2:0
- von 4px werden alle Helligkeitsinformationen behalten, jedoch nur jeweils 1 Farbinfo abgespeichert
- außgehend vom 1. Verfahren: Datenmenge reduziert sich um 50%
= Consumerbereich - Semiprofibereich

https://de.wikipedia.org/wiki/YCbCr-Farbmodell
https://kompendium.infotip.de/farbraeume-und-farbmodelle.html
https://www.youtube.com/watch?v=5pgIihxwG48

 

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Videosignale

Videosignale

 

1.    Analoge Videosignale

1.1   YUV (YCbCr)

-         Anwendung in der Fernseh-Videotechnik

-         Y=Helligkeitssignal; U=Farbdifferenz; V=Farbdifferenz

-         Die beiden Farbsignale U und V sind vom Helligkeitssignal Y getrennt

-         Durch Verwendung von drei Signalen ist das Signal nicht sendefähig und wird nur für die professionelle Studiobearbeitung verwendet

 

1.2   Y/C (S-Video)

-         U und V werden zu einem Signal zusammengefasst;

-         Findet durch Digitalisierung kaum noch Beachtung

-         Anwendung in der semiprofessionellen Videoproduktion

 

1.3   FBAS Composeite

-         „Farbe Bild Austast Synchron“

-         Standardsignalform von Fernsehen und VHS

-         Helligkeits- und Farbsignale werden zu einem zusammengefasst

-         Fernseher ermittelt RGB-Anteile des FBAS-Signals

-         Nachteil: Auftretende Störungen durch Cross-Color (z.B. die Darstellung von karierter Kleidung im TV)

 

 

2.    Digitale Videosignale

2.1   Vorgang

-         SAMPLING (Abtasten): mit 13,5 MHz

-         DIGITALISIEREN: Abtasttiefe 8-10 Bit

-         Dadurch entsteht eine sehr hohe Datenmenge, weswegen Color-Subsampling angewandt wird (mehrere Pixel werden zusammengefasst, Verzicht von Farbinformation spart Datenmenge)

 

2.2   4:4:4

-         Y, Cb und Cr werden mit der gleichen Abtastfrequenz von 13,5 MHz digitalisiert

-         Vorteil: Höchste Qualität

-         Nachteil: Größte Datenmenge

 

2.3   4:2:2

-         Cb und Cr werden mit der halben Abtastfrequenz abgetastet (->Color-Subsampling, siehe 2.1)

-         Bsp: für 4 Pixel werden 4 Y, aber lediglich je 2 Cb und Cr abgespeichert

-         Reduktion der Datenmenge um 33%

 

2.4   4:2:0

-         DV-Format

-         Findet im Consumer-Bereich Anwendung

-         Bsp: für 4 Pixel werden wieder 4 Y, aber lediglich nur je 1 Cb und Cr abgespeichert

-

         Reduktion der Datenmenge um 50%

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