Farbdifferenzsignal

Das YUV-Farbmodell verwendet zur Darstellung der Farbinformation zwei Komponenten, die Luminanz (Lichtstärke pro Fläche) (luma) Y und die Chrominanz oder Farbanteil (chroma), wobei die Chrominanz wiederum aus zwei Komponenten U und V besteht. Die Entwicklung des YUV-Farbmodells geht auf die Entwicklung des analogen Farbfernsehens in der Norm PAL zurück. Es findet heutzutage auch beim analogen NTSC-Farbfernsehen Verwendung.

Originalfarbbild oben und die Aufspaltung dieses Bildes in die Luminanz Y (S/W-Bild) und darunter in die beiden Farbanteile U und V. Die Unschärfe in den Farbkomponenten U und V macht anschaulich, warum die Farbinformation in der Auflösung reduziert werden kann (downsampling) ohne den Bildeindruck wesentlich zu verschlechtern.

Allgemeines

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 manchmal fälschlicherweise mit seinen Verwandten YPbPr für analoge Darstellung und YCbCr für digitale Darstellung von Farbvideosignalen gleichgesetzt, die beide in der Norm CCIR 601 bzw. IEC 601 definiert sind.

Das analoge YUV-Farbmodell ist zwar eng verwandt mit dem analogen YPbPr-Modell bzw. dem dazu digitalen YCbCr-Modell, unterscheidet sich allerdings in unterschiedlichen Skalierungsfaktoren (das sind unterschiedliche Verstärkungs- bzw. Dämpfungsfaktoren) betreffend der Farbsignale. Dies bedeutet anschaulich, dass das rechts dargestellte UV-Farbdiagramm im YPbPr Modell in der X-Achse bzw. Y-Achse um bestimmte Faktoren verzerrt wird, um das PbPr-Farbdiagramm zu erhalten. Die Verteilung der Farben in der Ebene bleibt dabei erhalten. Das Helligkeitssignal Y ist in all diesen Modellen identisch. Die Skalierungsfaktoren für die beiden Farbsignale sind fix und weisen folgende Werte auf:

$U \approx 0{,}872021 \cdot Pb$

$V \approx 1{,}229951 \cdot Pr$

Der Grund liegt darin, dass das analoge YPbPr-Modell und ebenso das digitale YCbCr-Modell eine symmetrische Fläche in der Farbebene aufspannt und somit die beiden Faktoren Pb und Pr (bzw. Cb und Cr) gleichmäßig skaliert werden, was eine leichtere Signalverarbeitung ermöglicht. Hingegen werden die YUV-Farbkomponenten U und V unterschiedlich stark in der Farbebene verzerrt: U wird mit geringeren Pegel verwendet als V, um bei der Quadraturmodulation auf den Farbhilfsträger bei analogen Farbfernsehen möglichst geringe Störungen des Helligkeitssignals zu ergeben.

Die Farbübertragung wurde bei analogen Fernsehen erst nachträglich entwickelt, als Schwarz/Weiß-Fernsehgeräte, welche nur das Helligkeitssignal Y verwenden, bereits am Markt etabliert waren. Das Farbfernsehen sollte als Vorgabe Schwarz/Weiß-Empfänger nur möglichst wenig stören. Um dies zu erreichen, mussten die Farbsignale U und V mit unterschiedlich großen Amplituden am Farbhilfsträger quadraturmoduliert werden, wodurch sich diese Verzerrungsfaktoren zwischen YUV und YPbPr ergeben.

Das früher bei der NTSC-Farbfernsehnorm verwendete YIQ-Farbmodell weist ebenso wie YUV unterschiedlich starke Verstärkungsfaktoren bei den Farbkanälen auf, die dort als I und Q bezeichnet werden, da auch dort das Problem der möglichst geringen Störung der bereits etablierten Schwarz/Weiß-Fernsehgeräte gegeben war. Zusätzlich erfolgt bei YIQ noch eine Drehung der Farbebene im Uhrzeigersinn um 33°. Dadurch sind den Farbkomponenten I und Q andere Farbwerte zugeordnet als dies bei UV, PbPr bzw. CbCr der Fall ist. Diese Drehung ist schaltungstechnisch beim Übergang von YIQ zu YPrPb und zu digitalen Video YCrCb wesentlich schwieriger zu realisieren, weshalb seit den 1970 Jahren auch bei analogen NTSC das YUV-Farbmodell verwendet wird.

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. YUV kommt nur bei der Quadraturmodulation des Farbhilfsträgers bei PAL bzw. NTSC-Übertragung vor und findet sonst keine Anwendung. Auch wird häufig Farbmodell mit Farbraum verwechselt, einen YUV-Farbraum gibt es aber ebenso wenig, wie etwa einen YPbPr- oder YCbCr-Farbraum.

Prinzip des Farbmodells

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

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.

Die Gewichtung der Komponenten ist erforderlich, 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 (per Definition exakten) Umrechnungsformel berücksichtigt:

$Y := 0{,}299 \cdot R + 0{,}587 \cdot G + 0{,}114 \cdot B$

Die Chrominanzsignale (auch Farbdifferenzsignale) enthalten die Farbinformation. Sie entstehen aus der Differenz zwischen Blauanteil und Luminanz bzw. Rotanteil und Luminanz und einer weiteren Reduktion. Auch diese Formeln sind per Definition exakt.

$U := ( B - Y ) \cdot 0{,}493$

$V := ( R - Y ) \cdot 0{,}877$

Aus den drei erzeugten Komponenten Y, U und V können später wieder die einzelnen Farbanteile der Grundfarben berechnet werden (die Formeln für G sind näherungsweise):

$B = Y + U/0{,}493\,$

$R = Y + V/0{,}877\,$

$G = 1{,}7 \cdot Y - 0{,}509 \cdot R - 0{,}194 \cdot B$

bzw.

$G = Y - 0{,}39466 \cdot U - 0{,}5806 \cdot V$

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 Reduzierung der Ortsauflösung der Chrominanz vornehmen, um Bandbreite bei der Übertragung einsparen zu können.

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

Siehe auch

• Farbraum (weitere Farbräume, Farbraumsysteme, Farbmodelle)
• Farbdifferenz-Konzept
• RGB-Konzept

Literatur

• Charles Poynton: Digital Video and HDTV Algorithms and Interfaces. Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco 2003, ISBN 1-55860-792-7 (englisch). 

Weblinks

• Liste von YUV-Formaten
• Chroma Upsampling - YUV 4:2:0 etc.

Die in diesem Artikel verwendeten Farben werden auf jedem Monitor anders dargestellt und sind nicht farbverbindlich. Eine Möglichkeit, die Darstellung mit rein visuellen Mitteln näherungsweise zu kalibrieren, bietet das nebenstehende Testbild: Tritt auf einer oder mehreren der drei grauen Flächen ein Buchstabe (R für Rot, G für Grün oder B für Blau) stark hervor, sollte die Gammakorrektur des korrespondierenden Monitor-Farbkanals korrigiert werden. Das Bild ist auf einen Gammawert von 2,2 eingestellt – den gebräuchlichen Wert für IBM-kompatible PCs. Apple-Macintosh-Rechner hingegen verwenden standardmäßig einen Gammawert von 1,8.