Gli spazi colore RGB ed YCbCr.

[Granderanda]

Ciao a tutti, vorrei discutere con voi di questi due modelli.
L'RGB deriva dalla proprietà dei coni dei nostri occhi di rilevare una radiazione luminosa nell'intorno dei colori rosso, verde e blu, che per l'appunto vengono detti primari.
La YCbCr tiene particolarmente in considerazione la sensibilità dei bastoncelli all'intensità luminosa (componente Y), e poi alla crominanza blu e rossa.
Tralasciamo in questa analisi il segnale YPbPr perchè credo si tratti semplicemente della versione progressiva dell'YCbCr, e dunque ai fini teorici non cambia nulla.

A parità di capacità di linea di trasmissione (banda o bit/sec.) qual è il modello in grado di trasportare il maggior numero di informazioni utili al nostro occhio?
Nei DVD SD con quale dei due modelli è memorizzata l'informazione?
E nei DVD HD in genere?
Le trasformazioni per passare da uno spazio all'altro sono di tipo lineare, non dovrebbero dunque pesare sulle sorgenti che eventualmente le attuano; allora quale impostazione preferire per il segnale in uscita su HDMI?
Grazie in anticipo a tutti coloro che vorranno partecipare.
Giuseppe

[Luciano Merighi]

Ciao a tutti, vorrei discutere con voi di questi due modelli.
Giuseppe

prima di ogni cosa è necessario fare delle precisazioni...


YCbCr è la versione digitale riscalata con offset dello spazio colore YUV, ovvero se a 8bit componente abbiamo 256 livelli possibili, YCbCr prevede 16-235 per Y e 16-240 per CbCr.

YPbPr è solo la conversione in analogico dell'informazione YCbCr, a prescindere se essa trasporti informazioni prog o inerl.

Ne RGB che YUV (di conseguenza anche YCbCr), sono legate al funzionamento biochimico dell'occhio e non sono spazi colore assoluti, perchè il risultato dipende dai pigmenti o dagli illuminanti RGB di riferimento che trasportano. Anche YUV trasporta alla fine informazioni RGB ai fini della sintesi additiva del colore. Il pregio di YUV è quello di separare le info di luminosita e croma per poter avere la possibilità di sottocampionare il colore e risparmiare banda grazie alla scarsa sensibilità dell'occhio allo stesso.

DVD, HDDVD e BD trasportano tutti informazioni YCbCr. Il DVD è limitato a 8bit componente gli altri potranno anche usare precisioni maggiori, anche se per ora non mi risulta che sia avvenuto.

Se si prende un'informazione RGB, si potranno avere combinazioni illegali in YUV, mentre in YCbCr si avranno sempre valori legali, con errori dovuti alla quantizzazione in un numero di livelli possibili, inferiore. Allo stesso modo ci potranno essere valori YUV che danno risultati RGB illegali.

[Girmi]

C'è anche da dire che parlare di spazio RGB e basta ha poco senso, esistono numerosi spazi RGB.

Nel caso del materiale video di DVD o DVD HD si dovrebbe parlare di NTSC o PAL (SECAM) che sono gli spazi colore RGB per la SD e di REC709 che è lo spazio colore per l'HD.

Comunque gli spazi colore RGB riguardano solo le periferiche di acquisizione e riproduzione.
Il materiale compresso, sia esso SD o HD, è sempre in YUV.
Per la SD di usa di solito lo YUV 4:2:0 o 4:2:2 (4:0:0 per il bn) mentre per l'HD mi risulta sia usato solo il 4:2:2 anche se i profili HiDef prevedono la possibilità del 4:4:4.

A parità di profondità colore e campionatura non ci sono differenze apprezzabili fra i due sistemi.

Ciao.


p.s.: lo spazio colore riferito alle capacità di visione dell'occhio umano è il CIE XYZ 1931, questo contiene tutti gli altri spazi colore.
http://boscarol.com/pages/cs/index.html

[Luciano Merighi]

Nel caso del materiale video di DVD o DVD HD si dovrebbe parlare di NTSC o PAL (SECAM) che sono gli spazi colore RGB per la SD e di REC709 che è lo spazio colore per l'HD.

esatto... ciascuno con i propri valori di R, G e B di riferimento, ad una determinata lunghezza d'onda, individuabile in modo assoluto sulla tabella CIE

OT... hai visto le schermate per la misura della saturazione del DVD HCFR?
A differenza di quelle della luminosità, mi sembrano non corrette, oppure usano criteri a me sconosciuti...

[Girmi]

OT... hai visto le schermate per la misura della saturazione del DVD HCFR?

Ho giochicchiato un po' con HCFR tempo fa perché cercavo di usarlo con l'Eye One Pro, ma non ho fatto rilevamenti sulle schermate.

Quando ho tempo ci guardo.

Ciao.

[Granderanda]

YPbPr è solo la conversione in analogico dell'informazione YCbCr, a prescindere se essa trasporti informazioni prog o inerl.

Ne RGB che YUV (di conseguenza anche YCbCr), sono legate al funzionamento biochimico dell'occhio e non sono spazi colore assoluti

Grazie per il chiarimento su YCbCr ed YPbPr.
Sapevo che YCbCr discende da YUV, concordo sul fatto che non siano spazi colore assoluti, ma non capisco perchè sostieni che questi modelli non siano legati ai principi di funzionamento dell'occhio, quando poi dici che YUV per risparmiare banda sfrutta proprio una minore sensibilità dell'occhio alle variazioni di colore piuttosto che a quelle di luminosità; potresti spiegarmi?
Cosa intendi per "sottocampionamento" riferito al colore? Ti riferisci allo spazio che gli viene riservato rispetto alla luminanza nella singola informazione, o proprio ad una frequenza di campionamento inferiore a quella minima stabilita dalla teoria dei segnali?

Per la SD di usa di solito lo YUV 4:2:0 o 4:2:2

Cosa indica questa notazione?
Ed usando la 4:2:0 non manca una parte dell'informazione indispensabile per una immagine a colori?

[Girmi]

Cosa indica questa notazione?

È il sotto campionamento di cui scriveva Luciano.

Lo spazio colore YUV prevede la campionatura del colore, cioè la sua suddivisione, non nelle componenti cromatiche primarie, come per RGB, ma nella componente luminosa Y e nelle componenti cromatiche U e V.
L'occhio umano è molto più sensibile alla componente luminosa e riesce a discriminare anche piccolissime variazioni della stessa, ma non ha la stessa capacità discriminante per quanto riguarda le componenti cromatiche.
Per cui è necessario uno spostamento maggiore dei valori delle componenti cromatiche, rispetto alla luminosa, perchè queste vengano percepite.

Sapendo questo, i sistemi di compressione video tendono a risparmiare spazio eliminando parte delle informazioni contenute nelle componenti cromatiche e la cui utilità ai fini della corretta visione è assolutamente marginale.

Per fare questo il codec considera una matrice quadrata di 2px di lato, quindi di 4 pixel.
Poi, per la componente luminosa Y considerà i valori di tutti i 4 pixel e li elaborerà, mentre per le componenti cromatiche considerà solo i valori di alcuni di questi 4 pixel non considerando gli altri.

In particolare, la campionatura 4:2:2 prevede che solo 2 pixel su 4 verrano considerati per ognuna componente cromatica.
Nel caso di un 4:2:0 verrà esclusa completamente la componente V e verranno considerati solo 2 pixel su 4 per la U.

Esistono molti altri tipi di campionamenti: 4:1:0; 4:2:1; 4:1:1, ecc….
Alcuni prevedono anche una sottocampionatura della compente luminosa Y: 3:x:x.

Ovviamente minore è il numero di informazione che il codec deve elaborare e minore sarà lo spazio fisico che il file elaborato occuperà o la banda di cui necessiterà per la trasmissione.

È altrettanto ovvio che più informazioni si eliminano e peggiore sarà il risultato finale, ma il 4:2:2, maggiormente usato nei DVD, ha una qualità molto vicina a quella di un ipotetico 4:4:4 e per distinguerli credo servirebbe una catena video ultracalibrata ed un occhio molto allenato se non addirittura rilevazioni strumentali.

Ciao.


More info.

[Luciano Merighi]

ma non capisco perchè sostieni che questi modelli non siano legati ai principi di funzionamento dell'occhio, quando poi dici che YUV per risparmiare banda sfrutta proprio una minore sensibilità dell'occhio alle variazioni di colore piuttosto che a quelle di luminosità; potresti spiegarmi?

RGB e YUV non trasportano direttamente quello al quale i coni e i bastoncelli dell'occhio sono sensibili ma informazioni finalizzate alla ricostruzione di una emissione luminosa tramite sintesi additiva che verrà poi interpretata dall'occhio/cervello

Cosa intendi per "sottocampionamento" riferito al colore? Ti riferisci allo spazio che gli viene riservato rispetto alla luminanza nella singola informazione, o proprio ad una frequenza di campionamento inferiore a quella minima stabilita dalla teoria dei segnali?

come ha detto Girmi, l'occhio umano è molto sensibile all'intensità dell'emissione luminosa ma molto meno alla variazione della sua frequenza. E' quindi possibile risparmiare banda analogica o dati digitali sul fronte della frequenza dell'emissione luminosa, ovvero della parte cromatica.
Un segnale televisivo ha quasi tutta la banda dedicata al luma e quel che resta al croma, senza che l'occhio ne soffra particolarmente. Con le informazioni YUV è possibile fare ciò mentre con RGB non è possibile.

Cosa indica questa notazione?
Ed usando la 4:2:0 non manca una parte dell'informazione indispensabile per una immagine a colori?

Questa notazione vale solo per il digitale ed in particolar modo è usata nell'YCbCr PAL dei DVD, della TV digitale (sat e terr) e anche nelle videocamere.

In pratica per una data linea vi sono 4 campioni di Y per 2 di una delle componenti e 0 per l'altra. Nella linea successiva i 2 campioni saranno per la componente che prima ne aveva 0 e così via.
In NTSC si usa il 4:1:1, ovvero sempre un campione ogni 4 però per entrambe le componenti croma

[Mike5]

Cosa indica questa notazione?
Ed usando la 4:2:0 non manca una parte dell'informazione indispensabile per una immagine a colori?

4:2:0 è una notazione infelice che provoca sistematicamente questo dubbio. Il significato è questo (assumo 8 bit di profondità colore):

- si considera un quadrato di 4 pixel (2x2);

- i numeri Y:H:V indicano rispettivamente i campionamenti di Y (luminanza), H (componente orizzontale di Cb e Cr) e V (componente verticale di Cb e Cr);

- 4:4:4 significa che tutte le componenti sono campionate per intero (4+4+4=12 byte per rappresentare 4 pixel; nessun risparmio di byte);

- 4:2:2 significa che la luminanza è campionata per intero, mentre le componenti di crominanza Cb e Cr subiscono un sottocampionamento orizzontale di 1/2 e nessun sottocampionamento verticale, cioè si campiona un byte per ogni componente colore dei pixel 1 e 2 e un byte per ogni componente colore dei pixel 3 e 4 (4+2+2=8 byte per rappresentare 4 pixel; risparmio di 1/3);

- 4:2:0 significa che la luminanza è campionata per intero, mentre le componenti di crominanza Cb e Cr subiscono un sottocampionamento orizzontale e verticale di 1/2, cioè si campiona un byte per ogni componente colore dei pixel 1, 2, 3 e 4 (4+1+1=6 byte per rappresentare 4 pixel; risparmio di 1/2); la notifica infelice deriva dal fatto che, in termini analogici, come ha detto Luciano, viene campionata alternativamente una riga blu e una rossa e quindi la frequenza di campionamento per una delle due componenti cromatiche è (alternativamente) zero.

Michele

P.S. @Girmi: ma davvero la codifica di BD e HD DVD è 4:2:2 ? Io sapevo 4:2:0.

[Girmi]

@Girmi: ma davvero la codifica di BD e HD DVD è 4:2:2 ? Io sapevo 4:2:0.

Credo di si, 4:2:2 dovrebbe essere lo standard secondo le raccomandazioni ITU BT.709-4, quelle per l'HDTV.
Può darsi che si usi anche il 4:2:0.
Purtroppo non ho ancora la possibilità di estrarre filmati da HD-DVD o BRD per verificarli ma so che il Toshiba HD-XE1 esce in 4:2:2.
Inoltre i profili HiDef per l'HD prevederebbero fino al 4:4:4 (inutile secondo me).

Ho trovato un po' di info in rete:
http://www.answers.com/topic/ycbcr-s...cat=technology
http://www.answers.com/topic/ccir-601?cat=technology
http://tvtechnology.com/pages/s.0079/t.2028.html
http://www.gigawave.co.uk/digitalbasics.html
http://www.crit.rai.it/eletel/2005-1/51-3.pdf
http://www.crit.rai.it/eletel/2003-1/31-7.pdf

Ciao.

[Granderanda]

Grazie a tutti per i chiarimenti.
Da quanto detto penso si possa concludere che la rappresentazione più efficiente, in termini di "qualità d'immagine"/"quantità d'informazioni" sia allora la YUV (e derivate), o sbaglio?
Avrei però un altro quesito:
Considerando questi due spazi colore e le due grandi categorie di display:
i CRT e quelli con pannello a matrice (LCD, plasma, ecc.);
c'è un accoppiamento tipo segnale-tipo display che dia risultati migliori per motivi strettamente connessi alla modalità di visualizzazione dell'immagine?

[Girmi]

Considerando questi due spazi colore e le due grandi categorie di display:
i CRT e quelli con pannello a matrice (LCD, plasma, ecc.);
c'è un accoppiamento tipo segnale-tipo display che dia risultati migliori per motivi strettamente connessi alla modalità di visualizzazione dell'immagine?

Indipendemente dalla teconologia adottata (CRT, Plasma, LCD, ecc…) tutti i display lavorano in RGB.
Mentre YUV è lo spazio colore utilizzato per i segnali video (DVD, TV, Sat).

Quindi la combinazione dei segnali è una sola, c'è poco sa scegliere.

Quello che conta molto è la qualità dei convertitori di segnale all'interno dei dispaly o nelle sorgenti (DVD player, HTPC, ecc…) che trasformano il segnale YCbCr in RGB e la profondità di elaborazione a cui operano (8bit, 10bit, 12bit, ecc…). Oltre alle caratteristiche del display stesso, ovviamente.


Ciao.

[Granderanda]

...tutti i display lavorano in RGB.
Mentre YUV è lo spazio colore utilizzato per i segnali video (DVD, TV, Sat).

Dunque dal segnale all'immagine almeno una conversione di spazio colore è indispensabile.
E' conveniente però farla eseguire all'elemento della catena più capace, oppure trattandosi di una trasformazione lineare non è un'operazione critica e può essere affidata a qualunque dispositivo?

[Girmi]

Dunque dal segnale all'immagine almeno una conversione di spazio colore è indispensabile.

Parlando dei normali segnale video, sì.

E' conveniente però farla eseguire all'elemento della catena più capace, oppure trattandosi di una trasformazione lineare non è un'operazione critica e può essere affidata a qualunque dispositivo?

Anche in questo caso, molto spesso, c'è poco da scegliere.
Da quanto ne so, i player che permettono di selezionare il segnale in uscita sullo stesso connettore, ad esempio HDMI, sono pochi.

Però dipende anche da tipo di connessione.
La HDMI può veicolare sia segnali YCrCb e RGB, ma, come detto, la maggior parte dei player stand alone esce solo in YCrCb.
Alcuni permettono anche di uscire in RGB.

Su VGA il segnale è veicolato solo in RGB mentre in component è solo in YCrCb (a meno di particolari circuitazioni che trasformano i connettori componenti in RGBs o RGBHV), ecc….
Lo stesso è per i display dove la maggiore differenza è che, direi, tutti permettono di selezionare RGB o YCrCb sulla HDMI.

Difficile dire quale sia in generale il sistema che lavora meglio e non è neanche detto che il sengale subisca una sola conversione, anzi.
Spesso anche un segnale RGB, ad esempio a 8bit, viene rielaborato ad esempio a 14 bit o cose simili.

Ogni apparecchio fa storia a sé.

Ciao.

[Granderanda]

...i player che permettono di selezionare il segnale in uscita sullo stesso connettore, ad esempio HDMI, sono pochi.

Il mio DVD player ad esempio mi consente di scegliere RGB o YCbCr su HDMI; e dopo innumerevoli prove credo si veda meglio in YCbCr.
Proprio perchè "Ogni apparecchio fa storia a sé" come dici tu, è praticamente impossibile stabilire per via teorica i settaggi migliori... pazienza.
Grazie, ciao.