RELAZIONE TRA SEGNALI RGB A 8 BIT ESEGNALI Y,R-Y,B-Y A 10 BIT

Di Paul Turner , Abekas Product ManagerTrad. R.Pellacani

Nella memorizzazione di segnali digitali video c'è stata un tendenza a confondere lospettro dinamico di un segnale all'interno di uno spazio colore particolare con la differenzatra spettri dinamici all'interno di spazi colore.

Esistono diversi modi di comparare l'accuratezza di traduzione tra diversi spazi colore.Questi modi spaziano dall'accuratezza di un pixel individuale a variazioni in risposta infrequenza di componenti. Il metodo descritto qui usa un semplice test di differenza involume ove il totale del volume del segnale Y,R-Y,B-Y (legale + illegale) viene comparatoal volume del segnale legale RGB (un sub-set). La proporzione risultante viene usata perdeterminare il numero di extra-bits necessario per descrivere una traduzione in Y,R-Y,B-Ydi un segnale a 8 bit RGB assumendo una uguale densità di campionatura fuori e dentro ilvolume dell'RGB.

Da RGB a YUV.In segnale video può esistere nello spazio RGB sia come forma d'onda generatadividendo la luce visibile per mezzo di un prisma dicroico nelle sua componentirosso,verde,blu, oppure come una immagine generata direttamente in RGB da qualcheforma di generatore digitale (computer grafici, titolatori, ecc.). Per preservare la larghezzadi banda necessaria ai sistemi di trasmissione via etere il segnale viene matricizzato inuno spazio Y,R-Y,B-Y che fornisce un segnale di luminanza Y e un segnale di crominanzaR-Y,B-Y. La sensibilità della visione umana nel discriminare il colore è minore dellasensibilità nel discriminare la luminanza (monocromatica, B/N) e di conseguenza i segnalidi differenza colore R-Y,B-Y possono essere ridotti senza che questo provochi un effettosignificativo sull'immagine risultante e senza con questo compromettere una ricezionemonocromatica in B/N.

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Verde Bianco

Rosso

NeroBlue

Figura 1: Il cubo RGBLo spazio colore RGB può essere considerato come un cubo con gli assi x,y e z sostituitidai componenti blu,verde e rosso. (Fig.1).

Questo cubo ha facce con lunghezza uguale a 0,0,0 come origine che corrisponde al neronello spazio Y,R-Y,B-Y e 1,1,1 che corrisponde al bianco nello spazio Y,R-Y,B-Y.

L'equazione usata per convertire l'RGB in Y,R-Y,B-Y è la seguente:(R-Y) = 0.701 R -0.587 G -0.114 B(B-Y) = -0.299 R -0.587 G +0.886 B(Y) = 0.299 R +0.587 G +0.114 B

La rappresentazione del volume RGB nello spazio Y,R-Y,B-Y è mostrata nella Figura 2.Questo appare come un cubo appoggiato su un suo angolo con l'angolo di basecorrispondente al nero e l'angolo al vertice corrispondente al bianco.

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Y

B-Y

R-Y

Nero

Bianco

1.73

- 0.701

0.887

1

1

Figura 2: Il volume RGB nellospazio Y,R-Y,B-Y

Numero di extra-bits necessari.La proporzione del volume attuale è data da un cubo 1,1,1 RGB in un parallelepipedo condimensioni 1.773 x 1.40 x 1.73.

Il risultato è un volume di 1 per il cubo in RGB e un volume di 4.29 per il volume Y,R-Y,B-Yil che fornisce una proporzione di : 4.29 : 1Questo dimostra che per descrivere un valore RGB a 24 bit (8 bit per canale) con unsegnale in Y,R-Y,B-Y viene richiesto approssimativamente uno spettro dinamico maggioredi 4 volte oppure 2 bit in più. ( Per comprendere l'intera parte del cubo compreso la partefrazionale, decimale, servono almeno 3 bit in più).

Tuttavia trattando il video in ambiente digitale della CCIR 601 è importante ricordare che isegnali Y,R-Y e B-Y sono di fatto re-normalizzati e spostati di livello in modo che essiriempiano lo stesso spazio di dinamica. Questi segnali scalati vengono chiamati Y,Cr,Cb.

Se ignoriamo lo spostamento di livello e ci concentriamo sui fattori di riduzione troviamo:Y = 0.855 (Y)Cb = 0.564 (B-Y)Cr = 0.713 (R-Y)

Ovviamente il segnale che soffre la maggiore compressione del suo spettro di dinamica èil componente Cb (una riduzione di circa il 50%). Per evitare una perdita significativa del

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dettaglio del segnale Cb il percorso di trasmissione dovrebbe richiedere per questodettaglio in effetti un ulteriore bit portando il numero di bit richiesti a 12.

Questo articolo indica che non c'è nulla di sbagliato nell'usare 8 bit per segnali RGB maconvertendo a Y,Cr,Cb lo spettro dinamico aumenta approssimativamente di un fattore 8 ,per esempio sino a segnali a 12 bit o maggiori. La CCIR 601 ci limita a una risoluzione a10 bit ma l'occhio attento e più sensibile può cogliere questa limitazione.

Come l'ho capita io.Nota del traduttore.In pratica sembra di capire che per descrivere un cubo (gamut RGB) con lati unitarinecessariamente posato su un suo vertice a con l'asse congiungente due vertici oppostirappresentanti l'uno il nero e l'altro il bianco applicando valori di riduzione a scalaresecondo i coefficenti dei componenti Y,R-Y,B-Y ne risulta una forma il cui volume èmaggiore di circa 4 volte.

Se ne deduce che a causa del disassamento (rotazione) degli assi di riferimento tra le dueforme (sistemi, spazi colore,gamut) lo spettro dinamico nel sistema in Y,R-Y,B-Y è

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maggiore anche dopo aver applicato i coefficenti a scalare per ottenere Y,Cr,Cb se sivuole descrivere lo spazio RGB a parità di risoluzione dinamica.

Ovvero si afferma che se per descrivere uno spazio colore RGB sono sufficienti 8 bit percanale, per descrivere a parità di risoluzione dinamica lo stesso gamut nel sistema Y,R-Y,B-Y servono approssimativamente 12 bit o più e non 10 come imposto dalla CCIR 601.

Ora, come questo sia gestito da Abekas in improvement nei loro prodotti resta misteriosoe non spiegato. Lo standard CCIR 601 cui ci si deve forzatamente adeguare prevede 10bit. E' pensabile che i 2 o più extra-bit vengano codificati in 4:2:2 + 2 (o ancora + 2) ove i 2extra bits contengano una codifica che integri sino a un maggiore spettro di dinamica percoprire il gamut dell'RGB nello spazio colore Y,R-Y,B-Y. Oppure si sono inventati altrecose per raggiungere lo stesso scopo.

Resta da verificare come questo possa integrarsi non solo all'interno delle macchineAbekas ma anche con il mondo esterno che lavora con parole di 8 o 10 bit ove i 2 bit didifferenza tra 8 e 10 sono assegnati spesso a discrezione del progettista (dummy bits,alpha channel, dati di stato del canale, checksum, ecc.).

Mi sembra di averla capita così tuttavia maggiori informazioni in merito da parte di Abekassarebbero di grande usilio in special modo informazioni su come parole di 12 o più bitpossano convivere in ambiente 10 bit.

In effetti parlando con progettisti di SONY durante un meeting SMPTE qualche tempo fa echiedendo loro quali erano i problemi maggiori nel progettare una camera interamentedigitale che uscisse alla fine in componenti digitali CCIR 601 partendo da una codifica delraster dei 3 CCD-RGB a 8 bit essi risposero che il problema maggiore era nel dovergestire parole di 12 o più bit per l'uscita in componenti in quanto il gamut RGB era "piùgrosso" dicevano loro. In effetti io capii poco cosa volevano dire, ora forse comincio acapire. Prevedo una rivisitazione della CCIR 601 e un nuovo standard digitale.Compatibile con la CCIR 601 ?? Forse un algoritmo di compressione/espansione?? Forsequalche altra diavoleria per cui capiremo sempre meno cosa sta succedendo ???

R. Pellacani