Das YUV-Farbmodell verwendet zur Darstellung der Farbinformation zwei Komponenten, die Helligkeit, auch Luminanz (englisch:luma) genannt, und die Chrominanz oder Farbanteil (chroma), wobei die Chrominanz wiederum aus zwei Komponenten besteht. Die Entwicklung des YUV-Farbmodells geht auf die Entwicklung des Farbfernsehens (PAL) zurück, wo nach Wegen gesucht wurde, zusätzlich zum Schwarz/Weiß-Signal die Farbinformation zu übertragen, um eine Abwärtskompatibilität mit alten Schwarz/Weiß-Fernsehgeräten zu erreichen ohne die zur verfügung stehende Datenübertragungsrate erhöhen zu müssen. Aus dem YUV-Farbmodell wurde das YCbCr-Farbmodell entwickelt, das bei den meisten Arten der digitalenBild- und Videokompression eingesetzt wird. Fälschlicherweise wird in jenem Bereich oft vom YUF-Farbmodell gesprochen, obwohl eigentlich das YCbCr-Modell benutzt wird. Dies sorgt oft für Verwirrung.
Die NTSC-Fernsehnorm benutzt ein anderes Farbmodell, welches YIQ genannt wird.
Die aus dem RGB-Farbraum bekannten Grundfarben sind die Grundbasis für die Berechnungen. Das Luminanzsignal, auch Leuchtdichte-Signal ist die Summe der drei GrundfarbenRot, Grün und Blau und enthält die Helligkeitsinformation.
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, und dieses heller als Blau. Weiterhin wird bei einigen Systemen zunächst eine Gammakorrektur der Grundfarben vorgenommen.
Die Crominanzsignale, auch Farbdifferenzsignale enthalten die Farbinformation. Sie entstehen aus der Differenz Blau minus Luminanz bzw. Rot minus Luminanz.
U=B-Y
V=R-Y
Aus den drei erzeugten Komponenten Y, U und V können später wieder die einzelnen Farbanteile der Grundfarben berechnet werden:
Y + U = Y + ( B - Y ) = Y - Y + B = B
Y + V = Y + ( R - Y ) = Y - Y + R = 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.
Einsatz bei analogem Farbfernsehen
Zur Berechnung des Luminanz-Signals 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.
Die PAL-Fernsehnorm verwendet folgende Berechnungsvorschrift nach ITU-601 (:
Die Berechnung der Chrominanz-Komponenten erfolgt nun unter Berücksichtigung dieser Gewichtungen:
Die beiden Chrominanz-Komponenten werden danach per Quadraturmodulation auf einen gemeinsamen Farbträger moduliert, wobei gegenüber dem Luminanz-Signal eine geringere Bandbreite verwendet wird.
Digitale Bildformate
Die Bildauflösung ist standardisiert durch das Common Interchange Format (CIF).
Formeln zur Umrechnung für das YUV-Format
Computer RGB oder auch "full-scale" RGB, benutzt 8 Bits für jeden einzelnen der roten, grünen und blauen Kanäle. Schwarz erhält man somit aus R=G=B=0 und Weiß aus R=G=B=255. Das 4:4:4 YUV Format benutzt 8 Bits für jeden der Y, U und V Kanäle.
Der U Kanal reicht von Blau bis Gelb und der V Kanal von Rot bis Gelb. Weil Gelb aus Rot und Grün besteht werden Grün und Rot jeweils mehrfach und Blau nur einfach gesendet.
Foreman YUV 4:2:0 a alle Kanäle b 4:2:0 nur Y-Kanal c YU-Kanal d YV-Kanal
Formeln für die Konvertierung von 8-Bit RGB zu YUV 4:4:4:
In guter Näherung kann man auch folgende Formel verwenden:
Die Rückkonvertierung von YUV 4:4:4 zu 8-Bit RGB läßt sich wie folgt ableiten. Dabei wird zunächst eine Vereinfachung vorgenommen:
Durch Umformung gewinnt man:
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:
YUV Abtastfrequenz für Luminanz und Chrominanz
Einer der großen Vorteile von YUV 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).
YUV 4:4:4 Chrominanz-Aufloesung identisch zur Luminanz-Aufloesung
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