컬러 샘플링 (Color Sampling)
컴퓨터는 일반적으로 빛의 삼원색을 배합하여 색상을 표현하는 RGB 색상 체계를 사용하지만, 대부분의 방송용 비디오 포맷은 YUV 색상 체계를 사용한다. YUV 색상체계란 밝기 정보(Y : luminance)와 색상 정보(U=Cr, V=Cb : Chrominance)를 분리해서 영상을 처리하는 방식이다.
YUV 색상체계는 색상보다는 밝기에 더 민감한 인간의 지각 특성을 감안해 색상 정보를 밝기 정보보다 적은 비율로 기록하는데 이러한 과정을 컬러 샘플링이라고 한다.
밝기 정보와 색상 정보의 비율에 따라 컬러 샘플링을 아래와 같이 분류한다.
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- 4:2:2 (Y:Cr:Cb=4:2:2) : 색상정보(Cr, Cb)를 밝기정보(Y)의 1/2 해상도로 기록 |
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예) D-1, D-5, D-5 HD, Digital Betacam, DVCPRO50, DVCPRO HD 등 | |
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- 3:1:1 (Y:Cr:Cb=3:1:1) : 색상정보(Cr, Cb)를 밝기정보(Y)의 1/3 해상도로 기록 예) HDCAM | |
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- 4:1:1 (Y:Cr:Cb=4:1:1) : 색상정보(Cr, Cb)를 밝기정보(Y)의 1/4 해상도로 기록 |
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예) DV, DVCAM (NTSC), DVCPRO (PAL / NTSC) | |
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- 4:2:0 (Y:Cr:Cb=4:2:0) : 색상정보(Cr, Cb)를 밝기정보(Y)의 1/4 해상도로 기록 예) DV, DVCAM (PAL), HDV |
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ITU-R 601(CCIR 601)
지금도 CCIR 601로도 많이 불려지나 이는 ITU-R 601로 대체되었다.
ITU는 international teleproduction society의 첫자로 모든 형태의 커뮤니케이션에
관한 규정을 담당하는 UN의 산하기구이다.
이 표준은 스튜디오용 디지털 텔레비젼의 인코딩 파라미터(parameters)를 정의하는데 콤포넌트 텔레비젼 비디오를 디지타이징하는 국제적인 표준으로 SMPTE RP125
와 EBU Tech 3246-E에서 유래되었다.
이 표준은 색차신호(Y,R-Y,B-Y)와 RGB비디오 모두를 다루며, 샘플링 시스템,
RGB/Y,R-Y,B-Y의 매트릭스값 그리고 필터특성을 정의한다.
전기•기계적인 인터페이스를 정의하지는 않는다. ITU-R 601은 RGB보다는
일반적으로 콤포넌트 디지털 비디오의 색차성분(Y,R-Y,B-Y)을 정의한다.
즉 이 표준은 4:2:2의 샘플링에 관한 정의로 라인당 720개의 루미넌스 샘플(Y)을
13.5MHz, R-Y와 B-Y를 6.75MHz의 주파수로 샘플링하며 이를 8비트나 10비트로
디지타이징하는 것이다.
8비트로 디지타이징하면 대략 1600만가지의 색상을 표현할 수 있다.
즉 각각의 Y,Cr,Cb(디지타이징한 색신호) 신호를 8비트로 디지타이징하면
2^8 X 2^8 x 2^8 = 2^24 = 16,777,216의 색조합이 가능해진다.
샘플링 주파수 13.5MHz는 525/60시스템과 625/50시스템 사이에 정치적으로
수용할 수 있는 공용 샘플링 표준을 제공하기 위해 선택된 것으로, 양시스템에
안정적인 샘플링 패턴을 제공하기 위해 최소 공통 주파수인 2.25MHZ의 배수이다.
HDTV의 Y샘플링 주파수는 1250/50포멧이 72MHz 1125/60 포멧이 74.5MHz이다.
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* YUV
YUV 는 PAL 방식의 아날로그 비디오를 위해 개발 되었지만 디지털 비디오에서도 유럽의 비디오 표준인 CCIR601 을 위해 사용하고 있다. YUV 는 눈이 광도에 가장 민감한 특성을 이용한 색체계이다.
Y 는 광도,휘도(luminance) 를 나타내며, U,V 는 색도(chrominance) 를 나타낸다.
RGB 색좌표와는다음과 같은 관계가 있다.
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114 B
U = B - Y
V = R - Y
* YCbCr = YCC
JPEG, MPEG 표준에서 사용되고 있으며, 색도 값인 Cb, Cr 은 0 과 1 사이에서 값을 가진다.
YCbCr 은 컬러공간과 컬러 이미지를 효과적으로 표현하는 방법으로 널리 사용된다.
Y는 휘도성분으로 RGB 의 가중 평균으로 계산될 수 있다. (k는 가중치)
Y = krR + kgG + kbB
각각의 색차 성분은 R,G 또는 B와 휘도 Y사이의 차이를 나타낸다.
Cb = B - Y
Cr = R - Y
Cg = G - Y
Cb, Cr, Cg 는 각 이미지 샘플의 평균휘도와 컬러 농도 사이의 차이 값을 나타낸다.
이 세개의 색차 신호 중 두 개만 저장 하거나, 전송하면 되며, 세번째 색차 신호는 나머지 두개의 색차 신호로 부터 계산될 수 있다
YCbCr 컬러 공간에서는 휘도와 청색, 적색의 색차 신호(Cb, Cr)만 사용된다.
YCbCr 은 RGB 에 비해 다음과 같은 중요한 이점이 있다. 인간의 시각시스템은 밝기 보다 색깔에 덜 민감하므로 Cr, Cb 성분을 Y 보다 낮은 해상도로 표현 할 수 있다. 이렇게 함으로써 시각적으로 화질의 큰 저하 없이 색차 성분을 나타내는 데 필요한 데이터의 양을 줄일 수 있다. 평범한 사람들은 RGB 이미지와 저 해상도의 색차 신호를 갖는 YCbCr 이미지 사이의 차이를 크게 느낄 수 없다. 이렇게 색차 신호를 위도 신호에 비해 저 해상도로 표현하는 방법은 간단하지만 효과적인 이미지 압축의 형태이다.
이러한 YCbCr, RGB 의 상호 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
G 는 YCbCr 표현으로 부터 구할 수 있는데, Y 에서 Cr 과 Cb 를 빼면 된다. Cg 성분은 저장하거나 전송할 필요가 없다.
Y = krR+(1-kb-kr)G+kbB (kr+kg+kb=1)
Cb = (0.5/(1-kb))(B-Y)
Cr = (0.5/(1-kr))(R-Y)
R = Y+((1-kr)/0.5)(Cr)
G = Y-(2kb(1-kb)/(1-kb-kr))(Cb) - (2kr(1-kr)/(1-kb-kr))(Cr)
B = Y+(1-kb/0.5)(Cb)
ITU-R recommendation BT.601[1] 은 kb = 0.014, kr = 0.299 로 정의 하고 있다.
위의 식에 대입하면 다음과 같은 변환식을 구할 수 있다.
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cb = 0.564 (B-Y)
Cr = 0.713 (R-Y)
R = Y + 1.402Cr
G = Y - 0.344Cb - 0.714Cr
B = Y + 1.772Cb