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YUV

Artikel #1731, »YUV«, geschrieben von: Patrick-Emil Zörner(Red.) (100 %)

YUV, YCbCr, Farbmodell; durch Matrizen aus dem RGB-Farbraum berechnete Kombination von Helligkeitsinformationen Luma und Farbton-/Farbsättigungsinformationen Chroma, die so in ein digitales Bildsignal kodiert werden. YUV nutzt die Tatsache aus, dass das menschl. Auge auf Helligkeit und Grün empfindlicher reagiert als auf Rot und Blau, um Bildsignale bis ca. 33% zu komprimieren.

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Der Y-Kanal beschreibt das Luma, einen gewichteten Wertebereich zw. hell und dunkel d. h. einen Wert für die Lichtintensität. Die UV-Kanäle (Chroma) errechnen sich aus einer gewichteten Differenz zw. 8-Bit-RGB Blau bzw. Rot und dem Lichtintensitätswert zu U (Cb) bzw. V (Cr). Die U-Komponente reicht von Blau bis Cyan und die V-Komponente von Rot bis Gelb. Weil sich die RGB-Farben Cyan aus Blau/Grün und Gelb aus Rot/Grün zusammensetzen, haben Grüne Informationen mehr Bandbreite in beiden Kanälen zur Verfügung als Blau und Rot. Die Farbinformation wird mit einer von der ITU-R in BT.709 empfohlenen Gewichtung reduziert. BT.709 ist unterteilt in die ältere unter BT.601 (ehemals CCIR 601) bekannten Empfehlung für 50-Hz Standard-TV-Auflösung (SDTV) und die Empfehlung für 60-Hz bei höherer Auflösung als SDTV. Zwei Konstanten sind hierfür definiert kr = 0,299 und kb = 0,114 für BT.601 bzw. kr = 0,2126 und kb = 0,0722 für den neueren Standard.

8-bit YUV

Berechnung RGB und 4:4:4 YUV

Die exakten Formeln zur Umrechnung von RGB in YUV ergeben sich damit zu:

Abbildung: Yuvformats444sampling.png

4:4:4

Abbildung: Yuvformats422sampling.png

4:2:2

Abbildung: Yuvformats420sampling.png

4:2:0

Abbildung: Yuvformats420samplingMPEG-2.png

4:2:0 (MPEG-2)

Y=kr⋅R+(1-kb-kr)⋅G+kbB
U=0,5/(1-kb)⋅(B-Y)
V=0,5/(1-kr)⋅(R-Y)

Die Umrechnung von 8-Bit-RGB in BT.601 YUV-4:4:4 lässt sich durch folgende Näherungen vereinfachen:

Y = round( 0,256788⋅R + 0,504129⋅G + 0,097906⋅B) + 16
U = round(-0,148223⋅R - 0,290993⋅G + 0,439216⋅B) + 128
V = round( 0,439216⋅R - 0,367788⋅G - 0,071427⋅B) + 128

Abtastfrequenz für Luma und Chrominanz

Das YUV-4:4:4 Format benutzt 8-Bits für jeden der Y, U und V Kanäle.

Bei YUV kann man mit niedrigere Abtastrate die Chroma-Werte abtasten als die des Luma-Kanals, ohne daß es zu einer wahrnehmbaren Entartung der zu gewährleistenden Qualität kommt. Zur Beschreibung wird eine so genannte A:B:C Notation verwendet. Sie gibt wieder wie oft Chroma im Vergleich zu Luma Abgetastet wird.

Bei der Abtastrate YUV-4:4:4 wird die Abtastfrequenz des Chroma Kanals nicht verringert. YUV-4:2:2 heißt die Abtastfrequenz des Chroma Kanals wird horizontal im Verhältnis 2:1 verringert und vertikal bleibt sie erhalten. Somit enthält jede Abtastzeile vier Luma-Werte und 2 Chroma-Werte. Bei YUV-4:2:2 wird die Abtastfrequenz sowohl des Chroma Kanals horizontal als auch vertikal im Verhältnis 2:1 verringert. Bei dem eher unüblichen YUV-4:1:1 wird die Chroma-Abtastfrequenz horizontal im Verhältnis 4:1 verringert und vertikal bleibt sie erhalten.

Die Abb. 1 zeigt das Abtastraster, welches für 4:4:4-Bilder verwendet wird. Luma wird mit ungefüllten Kreisen dargestellt und die Chroma-Komponeten mit grau schattierten Kreisen. BT.601 definiert die übliche Form der 4:2:2-Abtastung zu sehen in Abb. 2. Es existieren 2 Varianten des 4:2:0 abtastens. Die erste wird nach ITU-T-Empfehlungen als Dekodierungsformat von H.261 und H.263 bzw. MPEG-1 und die andere ab MPEG-2 (also auch für MPEG-4 und H.264) verwendet. Die Abb. 3 zeigt das MPEG-1 und Abb. 4 das MPEG-2 Schema.

Geschichte

YUV entstand aus der Notwendigkeit Farbfernseher abwärts kompatibel mit Schwarzweißfernsehern zu machen. Den Ingenieuren stand dabei nur eine beschränkte Bandbreite zur Verfügung, sodass nicht die volle Farbinformation ohne Kompression über die vohandenen Schwarzweiß-Kanäle übertragen werden konnte. Aus den drei Signalen kann das Schwarzweiß- bzw. Farbbild wiederhergestellt werden, ohne dass der Betrachter einen Unterschied zw. Original- und kodiertem Bild feststellen kann. Später wurden die Formeln weiter angepasst und es entwickelten sich eine Vielzahl von verwandten Formaten.

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