YUV-Farbmodell

Beispiel für einen YUV-Farbmodell, Y-Wert = 0.5, gezeigt im RGB

Das YUV-Farbmodell verwendet zur Darstellung der Farbinformation zwei Komponenten, die Luma (Lichtstärke pro Fläche) und die Chrominanz oder Farbanteil (chroma), wobei die Chrominanz wiederum aus zwei Komponenten besteht. Die Entwicklung des YUV-Farbmodells geht auf die Entwicklung des analogen Farbfernsehens zurück. Bei der Umstellung auf Farbfernsehen wurde nach technischen Wegen gesucht, zusätzlich zum Schwarz/Weiß-Signal die Farbinformation zu übertragen, um eine Abwärtskompatibilität mit alten Schwarz/Weiß-Fernsehgeräten zu erreichen ohne die zur Verfügung stehende Übertragungsbandbreite erhöhen zu müssen. Das YUV-Farbmodell der analogen Fernsehtechnik wird häufig mit seinen Verwandten YPbPr und YCbCr verwechselt, die beide in der Norm CCIR 601 bzw. IEC 601 definiert sind. Diese Farbmodelle lassen sich wie folgt abgrenzen:

• Das YUV-Farbmodell findet Verwendung bei analogem PAL, d.h. bei der Übertragung von analogem PAL-Fernsehen per Antenne, Kabel und Satellit sowie bei der Aufzeichnung und Übertragung von PAL-Video u.a. per VHS, S-VHS, Betacam, Video 8, Hi-8, Composite Video/FBAS und S-Video.
• Bei Aufzeichnung und Übertragung von analogem SECAM-Fernsehen und -Video (auf allen o.g. Übertragungswegen und Videobandformaten) wird stattdessen das YDbDr-Farbmodell verwendet.
• Bei analogem NTSC-Fernsehen und -Video (ebenfalls auf allen o.g. Geräten und Schnittstellen etc.) wird das YIQ-Farbmodell genutzt.
• Das in CCIR 601 ursprünglich für analoges HDTV spezifizierte YPbPr-Farbmodell findet heute praktisch nur noch bei analogen Component Video-Anschlüssen/-Kabeln Verwendung. Dagegen wird bei diesen u.a. an DVD-Playern zu findenden Komponenten-Videokabel-Anschlüssen nie YUV verwendet. Teilweise sind allerdings diese Geräteanschlüsse falsch beschriftet (richtig: YPbPr, falsch: YUV oder YCbCr).
• Das YCbCr-Farbmodell schließlich ist die Basis aller gebräuchlichen digitalen Fernseh- und Videoformate einschließlich digitalem PAL/SECAM (im digitalen Bereich werden PAL und SECAM nicht unterschieden), digitalem NTSC (unterscheidet sich von digitalem PAL/SECAM nur in Auflösung und Bildwechselfrequenz), DVB (alle Varianten), MPEG-Video, DVD-Video u.a. Auch digitale Videokabel können z.T. YCbCr-kodierte Videodaten übertragen, so z. B. HDMI (alternativ auch RGB).

Fälschlicherweise ist häufig von YUV(-Geräten, -Kabeln, -Kodierung, -Farbmodell) die Rede, wenn eigentlich YPbPr (bei analogen Anschlüssen/Kabeln) bzw. YCbCr (im digitalen Bereich) gemeint ist. Auch wird häufig Farbmodell mit Farbraum verwechselt, einen YUV-Farbraum gibt es aber ebensowenig wie etwa einen YCbCr-Farbraum.

Prinzip des Farbmodells

Zur Berechnung des Luma-Signals (auch Leuchtdichte-Signal) werden die zugrundeliegenden RGB-Daten zunächst mit dem Gamma-Wert des Ausgabegerätes verrechnet, man erhält ein R'G'B'-Signal. Die drei Einzelkomponenten werden mit unterschiedlicher Gewichtung addiert, um die Helligkeitsinformation zu bilden, die als BAS-Signal auch bei alten Schwarz/Weiß-Fernsehgeräten funktioniert.

$Y=R+G+B$

Die genaue Berechnung ist jedoch komplizierter, da einige Aspekte des Farbensehens des menschlichen Auges berücksichtigt werden müssen. So wird beispielsweise Grün heller wahrgenommen als Rot, dieses wiederum heller als Blau. Diese unterschiedliche Gewichtung wird in folgender Umrechnungsformel berücksichtigt:

Y = 0,299·R + 0,587·G + 0,114·B

Weiterhin wird bei einigen Systemen zunächst eine Gammakorrektur der Grundfarben vorgenommen.

Die Chrominanzsignale (auch Farbdifferenzsignale) enthalten die Farbinformation. Sie entstehen aus der Differenz zwischen Blauanteil und Luminanz bzw. Rotanteil und Luminanz und einer weiteren Reduktion.

U = ( B - Y )·0,493

V = ( R - Y )·0,877

Aus den drei erzeugten Komponenten Y, U und V können später wieder die einzelnen Farbanteile der Grundfarben berechnet werden:

$Y+U=Y+(B-Y)=B$

$Y+V=Y+(R-Y)=R$

$Y-B-R=(R+G+B)-B-R=G$

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

Die Bildauflösung ist standardisiert durch das Common Intermediate Format (CIF).

Die folgenden Angaben beziehen sich nicht auf das beim analogen PAL verwendete Farbmodell YUV sondern auf die im digitalen Bereich genutzten YCbCr-Farbmodellvarianten.

Formeln zur Umrechnung zwischen digitalem RGB- und YCbCr-Format

Das u. a. im Computerbereich verwendete RGB-Modell (auch "full-scale"-RGB) benutzt 8 Bits für jeden einzelnen der roten, grünen und blauen Kanäle. Im Full-Scale-RGB das bei Computern benutzt wird erhält man Schwarz aus R=G=B=0 und Weiß aus R=G=B=255. Die nachfolgenden Formeln beziehen sich auf den YCbCr-Farbraum, der bei CCIR-601-basierten digitalen Aufzeichnungen und Übertragungen benutzt wird und nur Y-Werte im Bereich von 16 bis 235 vorsieht. In diesem Farbraum erhält man Schwarz bei Y=16 und Weiß bei Y=235. In der Umrechnungsformel für den Wert Y bei YCbCr wird daher die gewichtete Gesamthelligkeit Y (aus YPbPr, entspricht Y bei YUV) mit $235-16 \over 255$ multipliziert und anschließend der Schwarzpegel 16 addiert.

Das YCbCr-4:4:4-Format benutzt für Y, Cb und Cr jeweils 8 Bits. Der Cb-Kanal reicht von Gelb bis Blau und der Cr-Kanal von Türkis bzw. Cyan bis Rot.

Formeln für die Konvertierung von 8-Bit RGB zu YCbCr 4:4:4 nach (ITU-R Recommendation BT.601):
$Y={\mbox{round}}(0{,}256788\cdot R+0{,}504129\cdot G+0{,}097906\cdot B)+16$
$U={\mbox{round}}(-0{,}148223\cdot R-0{,}290993\cdot G+0{,}439216\cdot B)+128$
$V={\mbox{round}}(0{,}439216\cdot R-0{,}367788\cdot G-0{,}071427\cdot B)+128$

In guter Näherung kann man auch folgende Formel verwenden:
$Y=((66\cdot R+129\cdot G+25\cdot B+128)>>8)+16$
$U=((-38\cdot R-74\cdot G+112\cdot B+128)>>8)+128$
$V=((112\cdot R-94\cdot G-18\cdot B+128)>>8)+128$

Die Rückkonvertierung von YCbCr 4:4:4 zu 8-Bit RGB lässt sich wie folgt ableiten. Dabei wird zunächst eine Vereinfachung vorgenommen:
$C=Y-16\qquad \qquad D=Cb-128\qquad \qquad E=Cr-128$

Durch Umformung gewinnt man:
$R={\mbox{clip}}({\mbox{round}}(1{,}164383\cdot C+1{,}596027\cdot E))$
$G={\mbox{clip}}({\mbox{round}}(1{,}164383\cdot C-(0{,}391762\cdot D)-(0{,}812968\cdot E)))$
$B={\mbox{clip}}({\mbox{round}}(1{,}164383\cdot C+2{,}017232\cdot D))$

Wobei clip() bedeutet, dass nur Werte aus dem Bereich von 0 bis 255 vorkommen dürfen. Negative Werte werden zu 0 und Werte größer als 255 zu 255. Wieder kann die Konvertierung mit guter Näherung vereinfacht werden:
$R={\mbox{clip}}((298\cdot C+409\cdot E+128)>>8)$
$G={\mbox{clip}}((298\cdot C-100\cdot D-208\cdot E+128)>>8)$
$B={\mbox{clip}}((298\cdot C+516\cdot D+128)>>8)$

YCbCr Abtastfrequenz für Luma und Chrominanz

Einer der großen Vorteile von YCbCr ist, dass die Abtastrate der Chrominanz-Kanäle niedriger als die des Y Kanals sein kann, ohne dass es zu einer spürbaren Verringerung der zu gewährleistenden Qualität kommt (Chroma Subsampling).

• YCbCr 4:4:4 Chrominanz-Auflösung identisch zur Luma-Auflösung
• YCbCr 4:1:1 Chrominanz-Auflösung horizontal geviertelt und vertikal unverändert

4:2:2

Bei YCbCr 4:2:2 handelt es sich um horizontale Unterabtastung der Farbinformation (Chrominanz) um den Faktor 2, somit wurde die Chrominanz-Auflösung horizontal halbiert. Die 4:2:2-Kodierung entspricht der "Studioqualität" für digitales Video (ITU-R 601-4) und wird von professioneller Aufnahme- und Schnitthardware verwendet.

4:2:0

Bei YCbCr 4:2:0 wird die Chrominanz-Auflösung sowohl horizontal als auch vertikal halbiert. Für Übertragung und für den Heimgebrauch wird typischerweise 4:2:0 verwendet.

A:B:C Notation

Es gibt weiterhin noch Unterschiede über das Zentrum der Chrominanzwerte. Diese können zentriert oder nicht zentriert sein:

Zur Beschreibung wird eine so genannte A:B:C Notation verwendet. Sie gibt wieder, wie oft Cb und Cr im Vergleich zu Y abgetastet werden.

YCbCr 4:4:4		YCbCr 4:2:2
YCbCr 4:2:0		YCbCr 4:2:0 MPEG-2-Abtastpositionen

Weiße Kreise symbolisieren hier die Abtastpositionen für die Luminanz, graue Kreise die Positionen für die Chrominanz.

Weblinks

• Unterschied zwischen den verschiedenen Abtastraten bei YCbCr

• fourcc.org YCbCr-Datenformate
• msdn.microsoft.com in englischer Sprache von Gary Sullivan und Stephen Estrop

• YCbCr 4:2:0 Streams

• CIF
• QCIF

• Freier YCbCr Viewer

• Ein YCbCr-4:2:0-Viewer unter GPL, lauffähig unter Java mit Java Native Interface (JNI)
• Ein weiter YCbCr-4:2:0 Viewer unter GPL, win32 und linux Version

Leitungslänge?