“HD” и “SD” цветовые пространства

HD и SD цветовые пространства – различны. Мы рассмотрим два основных базовых стандарта, используемых сегодня – Rec. 601 (BT.601 или ранее CCIR 601) и Rec. 709, поскольку параметры привычных форматов HD и SD определяются именно этими стандартами. Два основных различия между стандартами Rec. 601 и Rec. 709:
[A] – коэффициенты яркостной составляющей (Luma Coefficients)
[B] – основные, базовые цвета (Primaries).
Коэффициенты Luma

В обоих стандартах, и в Rec. 601 и Rec. 709, R’G'B’ значения преобразуются в значения Y’CbCr. Y‘ состевляющая в сигнале Y’CbCr передает информацию о яркости, в то время как Cb и Cr составляющие передают информацию о цвете. Формула для формирования Y‘:

Rec. 601 Y’ = 0.299 R’ + 0.587 G’ + 0.114 B’

Rec. 709 Y’ = 0.2126 R’ + 0.7152 G’ + 0.0722 B’

Коэффициенты яркости (Luma coefficients) – это значения перед R‘, G‘ и B‘. Обратите внимание – эти значения в Rec. 601 отличаются от значений Rec. 709. Это означает, что при одинаковых значениях R’G'B’ на входе, будут получены различные значениям Y’CbCr (в зависимости от используемого стандарта – Rec. 601 или 709). Выбор коэффициентов яркости также затрагивает используемые scale factors (факторы масштаба).

При преобразовываниях между Rec. 601 и Rec. 709 цветовая матрица должна применяться так, чтобы результирующие значения R’G'B’ были такими же (не изменялись).
Цветовая погрешность происходит в случаях, когда такое преобразование не применяется там, где оно должно применяться. В таких случаях ахроматические цвета (серый и белый) не изменяются, а насыщенные цвета получат смещение оттенка и насыщенности. Цвета, попавшие за границы цветового пространства CMYK – отбрезаются. В цифровой форме различие является очень большим, а на практике может оказаться едва заметным. Это происходит потому, что:
Глаз человека не очень чувствителен к небольшим цветовым погрешностям, особенно тогда, когда образцы не расположены рядом.
Реальные изображения как правило не содержат высоконасыщенных цветов (случайное распределение значений R’G'B’ может содержать намного больше высоконасыщаемых цветов), причем самым заметным является различие при обработке высоконасыщенных цветов.
В большинстве кинофильмов и видео материалов отсутствуют большие одноцветные участки, что влияет на возможность заметить различие между цветами.
В потребительских приложениях (бытовые телевизоры) изначально имеют значительную погрешность отображения цветов.

Эти причины объясняют, почему изготовители бытовых телевизоров в погоне за снижением себестоимости могут пренебрегать правильной обработатки luma коэффициентов. Но эта заведомо неправильная практика на самом деле заметно вредит качеству изображения (самое заметное – это ограничение (обрезание) насыщенных цветов).

В профессиональной области таких проблем как правило не возникает, так как большая часть аппаратного оборудования и программного обеспечения корректно обрабатывают видеоматериал. Тем не менее, это стоит проверять, поскольку некоторое программное обеспечение действительно может обработать материал неправильно, а в некоторых камерах есть установка, позволяющая изменять luma коэффициенты (по моему убеждению – это опасная установка!). Правильность прохождения видеосигналом цепей обработки проверяется на начальном этапе подачей в тракт телевизионной испытательной таблицы (ТИТ, называемой “цветными полосами”).
Противоречия

Во время разработки Rec. 709 некоторые специалисты выступили против изменения яркостных (luma) коэффициентов. Сохранив яркостные коэффициенты без изменений, сейчас мы бы избежали беспорядка, вызванного неправильным декодированием сигнала. Да и преимущества от изменения яркостных коэффициентов на практике оказались незначительными. Для одних цветовых комбинаций ошибка цветового представления (Chroma subsampling, по смыслу – цветового “прорежения”) уменьшилась, для других сочетаний цветов – наоборот, увеличилась. Многие видео инженеры даже не подозревают, что существует проблема представления цвета (chroma subsampling), полагая, что преобразование происходит без визуальных потерь (для получения дополнительной информации обратитесь к материалу
chroma subsampling). На мой взгляд, изменение яркостных коэффициентов не только не улучшили качество видео, а наоборот – ухудшили.

Но, в любом случае, мы вынуждены жить с различными наборами яркостных коэффициентов, определенных Rec. 601 и 709.
Основные (базовые) цвета (Primaries)

Понятие основной (базовый) цвет относится к точному “цвету” или “оттенку” красного, зеленого и синего. Цвет в координатах X и Y объективно определен CIE (Международной комиссией по освещению) еще в 1931 году. Очевидно, что существует необходимость определения объективных значений, поскольку существует множество различных оттенков красного, зеленого и синего.

Наборы трех базовых цветов определяются стандартами EBU, SMPTE C и Rec. 709. Все современные HD форматы используют базовые цвета, определеные Rec. 709 (существуют несколько устаревших форматов HD с другими требованиями, но мы их рассматривать не будем), в то время как базовые цвета в форматах стандартного разрешения (SD) в зависимости от страны определены стандартами EBU или SMPTE C. Также существуют оригинальные основные цвета NTSC, которые являются устаревшими, и в настоящее время используются.

При разработке стандарта NTSC проектировщики предполагали заложить систему границ CMYK, где базовые цвета являются намного более насыщенными чем та, что используются сейчас. Более насыщенные базовые цвета позволили бы воспроизводить больший диапазон высоковысоконасыщенных цветов. Но столкнулись с ограничением – нижняя сторона диаграммы цветового охвата CMYK превышала диапазон яркости телевзионного экрана (напомню – первые модели телевизоров были довольно тусклыми). Так как сигнал яркости можно увеличить только за счет уменьшения насыщенности базовых (основных) цветов, поэтому изготовители бытового ТВ оборудования нашли разумный компромисс – чтобы увеличить яркость, они просто игнорировали стандарт NTSC.

Немного позднее SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers – Общество инженеров кино и телевидения), понимая необходимость в промышленном стандарте, создало стандарт “SMPTE C”, в котором базовые цвета были заимствованы у распространенных в то время контрольных ЭЛТ мониторов Conrac. В конечном счете EBU (European Broadcasting Union – Европейский вещательный союз) создал собственный стандарт, учитывающий характеристики люминофоров в электронно лучевой трубке. Стандарт EBU определяет базовые цвета для стран PAL и Японии.

Набор базовых цветов Rec. 709 – это политический компромисс (причем, на мой взгляд, достаточно глупый) между базовыми цветами EBU и SMPTE C. В стандарте EBU красный и синий цвета совпадают с соответствующими цветами EBU/SMPTE C, а значение зеленого цвета занимает промежуточное значение между значениями EBU и SMPTE C.