YPbPr和YCbCr正解

Usage of the terms YUV, YPbPr, YCbCr

The broadcast and electronics industries have not been very precise in the use of the component interface terminology. Many people use the term "YUV" to mean YPbPr or YCbCr and several other standardized color component interfaces like YIQ, and YCC. Unfortunately, even many textbooks have confused usage of these terms. "YUV" is just easier to say and remember than YPbPr or YCbCr.

To avoid confusion Techwell marketing standardized the usage of the terminology in our datasheets. YPbPr is used when discussing the three-wire analog video component interface EIA-770. The terminology YCbCr is used when discussing ITU-601 or ITU-656 digital interfaces.

YPbPr = analog component interface color space, (EIA-770.2-a SMPTE-240M and others)

YCbCr = digital component interface, (ITU-601, ITU-656, (formerly CCIR-601, CCIR-656))

YPbPr and YCbCr are not different color spaces. They where intended to be the analog and digital representations of the same color space. ITU 601 (formerly called CCIR-601) defines an 8-bit DIGITAL 2'scompliment coding for component video called YCbCr. The offsets and some scale factors specified in the definition are integer numbers with exact 8-bit binary equivalents. The offsets and scaling factors are specified to prevent digital overflows of the 8-bit integer numbers. YCbCr is used when describing our 601 and 656 DIGITAL interfaces. Other datasheets may use YUV, YPbPr or other labels for the same interface.

CCIR Rec. 709 and EIA-770.2-A defines the YPbPr analog interface for HDTV. Most HDTV and DVD consumer electronics equipment now use terminology "YPbPr" for the 3-wire analog video interconnect. The offsets and scaling factors are specified to prevent saturation of the amplifiers of the analog signals. These are the analog interfaces that the TW99 and TW88 is intended to interface with. Other datasheets may use YUV, YCbCr, or other labels for the same interface.

Technically “YUV” applies to the correct scaling of the color difference signals when they are to be modulated and output as a composite (one pin) video signal. At this time it is rare to see an analog three-wire interface with color difference signals scaled to the YUV convention available on outside of an integrated circuit. However the colloquial use the term “YUV” persists along with the confusion between YCbCr and YPbPr. The order of the terms YCbCr and YPbPr are also “normally” reversed to YCrCb and YPrPb as any quick search on the Internet will reveal.

 

视频的色彩信息通过线性化的（三原色）红、绿及蓝(RGB)分量获取。由于CRT显示技术的限制，此类基本的色彩信息需要采用非线性的形式（即所谓的伽玛矫正[gamma-corrected color]）进行处理。为了区分真RGB以及非线性的伽玛修正RGB，人们采用了R'G'B'。

由于全部三个信号需求较大带宽，因此传统的消费视频无法使用R'G'B'。为了降低带宽、成本，并解决延迟及现今的运行功耗等问题，R'G'B'信号在算法上进行了处理，从而造就了不同形式的视频信号。

最为重要的信号是亮度（brightness，或称之为光亮度[luminance]）。国际照明委员会(CIE)所规定的真实亮度(Y)的解析度应通过线性化的RGB得到。由于在RGB中加入了非线性的成分(Gamma)，亮度将无法保持真实性。因此，针对所有的视频系统，人们采用了光亮度（luma Y'）并在技术上严格的定义。

类似的，由于采用了非线性化的R'G'B'术语，色浓度(chroma，C')的称谓也取代了原本的色度(chrominance)——亦称为色彩信息，由色调及饱和度组成。色彩所具有的不同信号P'B、P'R、R' – Y'以及B' – Y'同样参照此方式表示非线性化的伽玛修正信号。其它的术语包括了U、V、I以及Q，但一般不作标刻记号，因为此类术语仅作为数学方程式的符号而没有用于 CIE色彩空间。尽管如此，仍然有观点认为这些术语也应具有标刻记号，因为它们同样基于非线性化的元素。图1所示的简化RGB信号流展示了此类视频术语创建的方式，但忽略了某些元素，例如同步信息。

图1 –消费接口的通用RGB视频信号流

 

图1 –消费接口的通用RGB视频信号流

模拟视频传输——CVBS及S-Video

最初的NTSC及PAL系统所采用的单线传输系统通常称为合成视频基带信号，即CVBS。一般来说，此类系统的带宽限制低于6MHz。但需要注意，SMPTE（运动图像及电视工程师协会）的170M标准在技术上并没有以任何方式对亮度通道的带宽进行限制，仅是针对色度或色彩不同的信号进行了限制。尽管如此，由于射频传输的需要，绝大多数系统还是把带宽限制在4.2MHz。

CVBS信号最为重要的电压电平需求包括了-40 IRE（–286mV用于NTSC以及–300mV用于PAL）同步信号以及+100 IRE（714mV用于NTSC以及700mV用于PAL）视频信号。此类电平可在标准间细微的变化，但其所示的值仍分别代表了此类信号的一般电压。

事实上CVBS信号在这个140 IRE的区间，具有75%的色彩饱和度。但是，许多人都忽略了色彩可达到100%的饱和度。从而使得CVBS信号有可能达到的值分别为 NTSC：286mV + 935mV =1.221Vpp，PAL：300mV + 933.5mV = 1.2335Vpp。该电压值高于其它标准的视频信号，一旦忽略，将有可能导致潜在的视频信号削波失真。

CVBS信号最大的问题之一在于亮度与色度信号的组合。由于此类信号可能占据相同的频谱，因此，很难将信号彼此分离却不显露人为处理的痕迹。这就是存在众多相异的视频解码（其专业术语诸如2D、3D、3D自适应等）的梳状滤波器。但即使是采取了诸如此类的技术，在试图分离两个视频信号时，人为处理的痕迹仍然有可能，或是确实存在。

消除此问题的最好办法是在最开始就不将亮度信号与色度信号合并。S-Video正是如此，且可生成比CVBS更优良的图像。S-Video的带宽与CVBS极为相似，通常低于6MHz。使用S-Video的唯一缺点是必须采用两条传输线。

模拟视频传输——分量视频

为了在S-Video的基础上进行改良，分量视频出现了，免除了对色度信号的调制，从而最终减少了误差。分量模拟视频保持了重要的一致亮度(Y') 信息，但却分别保存了色彩差异的信息。P'B是蓝色的色彩差异信号，而非原先用于数字域色彩差异的C'B 。类似的，P'R是红色的色彩差异信号，而C'R则是数字域中红色的差异。

分量视频亮度的1Vpp电压幅度需求在本质上于与CVBS亮度相同。亮度同步信息为 -300mV信号，视频信息为700mV信号，在同步信号电平之上。色彩差异信号可支持700mVpp，其同步信息处于电压范围的中点，而非亮度的底端。

分量模拟视频(Y'P'BP'R)包括了多个差分格式。此类格式包括了标准清晰度(SD)、增强型清晰度(ED)以及高清晰度(HD)视频。SD视频包括了基于NTSC的480i (aka 525i)以及基于PAL的576i (aka 625i)，在此 ‘i’ 标注指代了隔行(interlaced)视频。此类视频系统具有高达6.75MHz的亮度带宽以及3.375MHz的P'B 及 P'R 信号带宽。对于同步信息来说，除了色彩差异信号采用了中点电平之外，其余均与CVBS相同。

增强型清晰度(ED)视频包括了基于NTSC的480p (aka 525p)以及基于PAL的576p (aka 625p)。在此 ‘p’ 标注指代了逐行扫描，因此需求更大的带宽。亮度信息限制在12MHz，同时色彩差异信息限制在6MHz。同步电平的需求与480i一致，但宽度较短 (2.33us vs. 4.7us)，刷新率较高。

高清晰度(HD)视频包括了720p、1080i 以及 1080p。720p及1080i 的亮度信号所具有的带宽限制为30MHz，同时其色彩差异信号的带宽限制为15MHz。1080p的亮度信号限制于60MHz，色彩差异信号限制于 30MHz。SMPTE的274M及296M标准允许改变帧速率及采样速率，从而可改变此类模拟带宽，但绝大多数系统还是采用了上述的数值。在此须注意到，带宽及同步宽度可以，也确实在，随着其各自的波形而改变，毕竟针对每一信号都有诸多的须考虑选项（720p多达8个，1080i/1080p多达11 个）。

此类HD视频信号的电压需求与480i及480p的需求一致。亮度通道需求1Vpp，同时色彩差异通道需求700mVpp。但HD信号的同步信息却有所不同，采用了三电平(tri-level)同步。尽管如此，其底端电平仍将随着CVBS、480i 及 480p所依循的传统的300mV单同步(single-sync)脉冲而漂移。由于三电平同步及更快的信号率，720p的同步宽度缩短至 0.54us，1080i短至0.59us，而1080p则可以缩短至0.296us。