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YUV

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목차

1. 개요

Y′UV는 흑백 텔레비전과의 호환성을 위해 개발된 컬러 텔레비전 신호 전송 방식이다. Y′UV는 흑백 신호인 휘도(Y)에 두 개의 색차 신호(UV)를 추가하여 색상을 표현하며, PAL, SECAM, NTSC 등 다양한 관련 색 모델과 컴포넌트 비디오에서 사용된다. Y′UV는 RGB 색상 모델에서 변환되어 생성되며, YCbCr과 밀접한 관련이 있지만, 스케일 팩터가 다르다. 또한, Y′UV는 색차 성분의 샘플링을 간략화하여 대역폭을 줄이는 방식으로 사용되며, 다양한 동영상 포맷에서 YUV와 유사한 개념이 활용된다.

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YUV
Y′UV
특성
종류색 공간
색 성분Y′ (휘도)
U (색차)
V (색차)
용도PAL 아날로그 컬러 TV 시스템
비디오 압축
JPEG
YUV
특성
종류색 공간
색 성분Y (휘도)
U (색차)
V (색차)
용도PAL, NTSC, SECAM 아날로그 컬러 TV 시스템
비디오 압축

2. 역사

Y′UV는 엔지니어들이 흑백 인프라에서 컬러 텔레비전을 원했을 때 발명되었다.[23][6] 색상을 추가할 수 있으면서 흑백과 호환되는 신호 전송 방식이 필요했다. 이미 흑백 신호로 존재했던 루마(휘도) 컴포넌트(Y)에 UV 신호를 추가하는 방식으로 해결했다.

UV 색차 신호는 R 및 B 신호 대신 선택되었다. U 및 V 신호가 0이거나 없으면 흑백 이미지만 표시된다. R 및 B가 사용된 경우, 흑백 장면에서도 0이 아닌 값을 가지게 되어 세 개의 데이터 전달 신호가 모두 필요하게 된다. 컬러 텔레비전 초창기에는 오래된 흑백 TV 신호에 U 및 V 신호가 없었기 때문에, 컬러 TV는 이를 흑백 TV로 바로 표시할 수 있었다. 또한 흑백 수신기는 Y′ 신호를 수신하고 U 및 V 색상 신호를 무시할 수 있어, Y′UV는 모든 기존 흑백 장비, 입력 및 출력과 역호환되었다. 만약 컬러 TV 표준에서 색차 신호를 사용하지 않았다면, 컬러 TV는 흑백 방송에서 이상한 색상을 내거나, 흑백 신호를 색상으로 변환하는 추가 회로가 필요했을 것이다.[7]

3. 관련 색 모델

Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr 등의 용어는 때때로 모호하고 중복되는 부분이 있다.


  • '''Y′UV'''는 PAL에서 사용되는 분리 방식이다.
  • YDbDr은 SECAM 및 PAL-N에서 사용되는 형식이다.
  • Y′IQ는 NTSC 텔레비전에서 사용되는 형식이다.
  • Y'PbPr는 컴포넌트 비디오에서 사용되는 분리 방식이다.
  • Y′CbCr은 MPEG 및 JPEG와 같은 비디오 및 이미지 압축 및 전송 형식에 적합한 Y'PbPr의 디지털 인코딩이다.[2]


이러한 모든 형식은 휘도 성분과 회색과의 색상 차이를 설명하는 두 개의 색차 성분을 기반으로 한다. Y′IQ를 제외한 모든 형식에서 각 색차 성분은 빨강/파랑과 Y의 차이를 스케일링한 버전이다.

YCbCr을 YUV로 표기하는 사례가 있지만, YUV는 PAL 신호나 SECAM 신호를 얻기 위한 컴포넌트 신호이며, YCbCr 및 YPbPr과는 유사하지만 다르다. U, V의 값 범위를 [-0.5, 0.5]로 변환하면 Cb, Cr이 된다.

현재는 YUV를 색 공간 모델의 총칭으로 사용하며, RGB와의 색 공간 변환에서의 컬러 매트릭스 차이 및 샘플링 사양을 정의한 신호의 호칭으로 YCbCr 및 YPbPr을 사용하는 것이 주류가 되고 있다. YCbCr과 YPbPr의 사용 구분에 대해서는 명확하게 통일되어 있지 않다. ARIB (일본)에서는 Pb, Pr을, SMPTE (미국)에서는 아날로그에 Pb, Pr을, 디지털에 Cb, Cr을 사용하고 있다.[14] 디지털 전송의 HDMI에서는 Cb, Cr을 사용한다.

3. 1. 케이블

업무용 비디오 기기의 아날로그 전송은 BNC 단자(케이블)로 접속된 3개의 신호선을 사용한다. 디지털 전송은 BNC 단자로 접속되는 1개의 케이블을 사용하는 SDI 또는 병렬 인터페이스를 사용한다.[1]

가정용 비디오 기기는 아날로그 신호의 경우 RCA 단자(케이블)로 접속된 3개의 신호선인 컴포넌트 단자를 사용하거나, 케이블을 통합한 D 단자 케이블을 사용한다. 디지털 전송은 IEEE 1394나 HDMI를 사용한다.[1]

컴포지트 단자나 S 단자에서 전송되는 NTSC 신호(컴포지트 영상 신호)는 휘도, 색상, 채도 성분을 가지며, 색차 컴포넌트 신호와는 근본적으로 다르다.[1]

4. RGB와의 변환

Y′UV 신호는 일반적으로 RGB 소스에서 생성된다. R, G, B의 가중치는 합산되어 밝기나 휘도를 나타내는 Y′를 생성한다. U와 V는 Y′와 B 및 R 값 간의 스케일된 차이로 계산된다.[23]

PAL(YIQ를 사용하는 NTSC는 추가로 회전되었다) 표준은 SMPTE RP 177을 사용하여 BT.470 System M 기본색과 백색점에서 파생된 상수를 정의한다. (행렬 계수라고 하는 동일한 상수는 나중에 BT.601에서 사용되었지만 0.436 및 0.615 대신 1/2을 사용한다).

Y′UV의 PAL 신호는 R'G'B'에서 다음과 같이 계산된다. (SECAM IV만 선형 RGB를 사용했다):

:\begin{align}

Y' &= W_R R' + W_G G' + W_B B' = 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B', \\

U &= U_\text{max} \frac{B' - Y'}{1 - W_B} \approx 0.492(B' - Y'), \\

V &= V_\text{max} \frac{R' - Y'}{1 - W_R} \approx 0.877(R' - Y').

\end{align}

결과적인 Y′, U, V의 범위는 각각 [0, 1], [−''U''max, ''U''max], [−''V''max, ''V''max]이다.

Y′UV를 RGB로 변환하는 공식은 다음과 같다:

:\begin{align}

R' &= Y' + 1.14 V,\\

G' &= Y' - 0.395 U - 0.581 V, \\

B' &= Y' + 2.033 U.

\end{align}

Y′UV는 절대 색 공간이 아니며, RGB 정보를 인코딩하는 방식이다. 실제 표시되는 색상은 사용된 RGB 색상에 따라 달라진다. 따라서 Y′UV로 표현된 값은 표준 RGB 색상이 사용되는 경우에만 예측 가능하다.[6]

4. 1. SDTV with BT.470

PAL(NTSC는 YIQ를 사용) 표준은 다음과 같은 상수를 정의한다.[15]

상수값
WR0.299
WG0.587
WB0.114
Umax0.436
Vmax0.615



Y′UV의 PAL 신호는 R'G'B'에서 다음과 같이 계산된다.[15]

:\begin{align}

Y' &= 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B', \\

U &= 0.492(B' - Y'), \\

V &= 0.877(R' - Y').

\end{align}

Y′UV를 RGB로 변환하는 공식은 다음과 같다.[18]

:\begin{align}

R' &= Y' + 1.14 V,\\

G' &= Y' - 0.395 U - 0.581 V, \\

B' &= Y' + 2.033 U.

\end{align}

위의 변환을 행렬로 표현하면 다음과 같다.[15]

:\begin{align}

\begin{bmatrix} Y' \\ U \\ V \end{bmatrix}

&=

\begin{bmatrix}

0.299 & 0.587 & 0.114 \\


  • 0.14713 & -0.28886 & 0.436 \\

0.615 & -0.51499 & -0.10001

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix} R' \\ G' \\ B' \end{bmatrix}, \\

\begin{bmatrix} R' \\ G' \\ B' \end{bmatrix}

&=

\begin{bmatrix}

1 & 0 & 1.13983 \\

1 & -0.39465 & -0.58060 \\

1 & 2.03211 & 0

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix} Y' \\ U \\ V \end{bmatrix}.

\end{align}

4. 2. HDTV with BT.709

HDTV Rec. 709 (SDTV Rec. 601과 매우 유사)와 UHDTV Rec. 2020 비교


HDTV의 경우, ATSC는 Rec. 709에 따라 SDTV 시스템에서 이전에 선택된 값과 비교하여 WR 및 WB의 기본 값을 변경했다.[11] 이러한 결정은 Y′UV↔RGB 변환 행렬에 영향을 미쳐 구성원 값도 약간 달라졌다. 결과적으로 SDTV와 HDTV에서는 모든 RGB 삼중항에 대해 일반적으로 두 가지 뚜렷한 Y′UV 표현(SDTV-Y′UV와 HDTV-Y′UV)이 가능하다. 즉, SDTV와 HDTV 간에 직접 변환할 때 루마(Y′) 정보는 대략 동일하지만 색차(U & V) 채널 정보의 표현은 변환이 필요하다. CIE 1931 색 공간의 범위 내에서 Rec. 709 색 공간은 Rec. 601과 거의 동일하며 35.9%를 커버한다.[11]

BT.709는 다음과 같은 가중치 값을 정의한다.

:\begin{align}

W_R &= 0.2126, \\

W_G &= 1 - W_R - W_B = 0.7152, \\

W_B &= 0.0722 \\

\end{align}

BT.709의 아날로그 형태에 대한 변환 행렬은 다음과 같다. (실제로는 사용되지 않음, YCbCr 형태가 사용됨):

:\begin{align}

\begin{bmatrix} Y' \\ U \\ V \end{bmatrix}

&=

\begin{bmatrix}

0.2126 & 0.7152 & 0.0722 \\

  • 0.09991 & -0.33609 & 0.436 \\

0.615 & -0.55861 & -0.05639

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix} R' \\ G' \\ B' \end{bmatrix} \\

\begin{bmatrix} R' \\ G' \\ B' \end{bmatrix}

&=

\begin{bmatrix}

1 & 0 & 1.28033 \\

1 & -0.21482 & -0.38059 \\

1 & 2.12798 & 0

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix} Y' \\ U \\ V \end{bmatrix}

\end{align}

R, G, B, Y의 값 범위는 [0, 1]이다. Cb, Cr의 값 범위는 [-0.5, 0.5]이다. U = 0.872 × Cb, V = 1.23 × Cr.

RGB에서 변환식은 다음과 같다.

;ITU-R BT.709 (1125/60/2:1)

:\begin{pmatrix}

Y\\

Cb\\

Cr

\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}

0.2126 & 0.7152 & 0.0722\\

  • 0.114572 & -0.385428 & 0.5\\

0.5 & -0.454153 & -0.045847

\end{pmatrix}\begin{pmatrix}

R\\

G\\

B

\end{pmatrix}[17]

반대로 RGB로 변환할 때는 다음과 같다.

;ITU-R BT.709 (1125/60/2:1)

:\begin{pmatrix}

R\\

G\\

B

\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}

1 & 0 & 1.5748\\

1 & -0.187324 & -0.468124\\

1 & 1.8556 & 0

\end{pmatrix}\begin{pmatrix}

Y\\

Cb\\

Cr

\end{pmatrix}[20]

4. 3. 일반적인 휘도/색차 시스템

Y′UV는 공학자들이 흑백 구조에서 컬러 텔레비전을 구현하고자 했던 시기에 발명되었다.[23] 이들은 색을 추가하면서도 흑백 호환성을 유지하는 신호 전송 방식이 필요했다. 이미 흑백 신호로 존재했던 루마 컴포넌트(Y′)에 UV 신호를 추가하는 방식으로 문제를 해결했다.[6]

Y′UV와 그 친척 시스템(예: Y′IQ, YDbDr)의 주요 장점은 조르주 발렌시의 작업 덕분에 흑백 아날로그 텔레비전과의 호환성을 유지한다는 점이다. Y′ 채널은 흑백 카메라로 기록된 모든 데이터를 저장하여, 기존 흑백 디스플레이에서 수신하기에 적합한 신호를 생성한다. 컬러를 표시할 때는 세 채널을 모두 사용하여 원래 RGB 정보를 디코딩할 수 있다.

Y′UV의 또 다른 장점은 대역폭을 줄이기 위해 일부 정보를 제거할 수 있다는 것이다. 인간의 눈은 색상보다 밝기 정보에 더 민감하다. 이러한 특성을 이용하여 NTSC 및 PAL과 같은 표준은 크로마 채널의 대역폭을 줄였다. 결과적으로 U 및 V 신호는 압축될 수 있으며, NTSC 및 PAL 시스템에서 크로마 신호는 루마 신호보다 대역폭이 좁았다. 초기 NTSC는 동일 이미지 영역에서 특정 색상을 빠르게 번갈아 사용하는 방식이었지만, 현대 아날로그 및 디지털 비디오 표준은 크로마 서브샘플링을 사용한다.

Y′UV 대신, Y′CbCr은 MPEG-2와 같은 디지털 비디오 압축 알고리즘의 표준 형식으로 사용된다. 디지털 텔레비전과 DVD는 압축된 비디오 스트림을 MPEG-2 형식으로 보존한다. 전문 CCIR 601 디지털 비디오 형식 또한 4:2:2 크로마 서브샘플링 속도로 Y′CbCr을 사용한다.

Y′UV는 절대 색상 공간이 아니다. 이는 RGB 정보를 인코딩하는 방법이며, 실제 표시되는 색상은 사용된 RGB 색상에 따라 달라진다. 따라서 Y′UV로 표현된 값은 표준 RGB 색상이 사용되는 경우에만 예측 가능하다.

5. Y′CbCr과의 관계

Y′UV는 종종 YCbCr의 용어로 사용되지만, 관련은 있지만 다른 형식이다. 표준적인 경우 두 형식 간의 관계는 간단하다. 특히 두 형식의 Y′ 채널은 서로 선형적으로 관련되어 있으며, Cb와 U는 (B-Y)에 선형적으로 관련되어 있고, Cr과 V는 (R-Y)에 선형적으로 관련되어 있다.[2]

YCbCr을 YUV로 표기하는 사례를 볼 수 있지만, YUV는 PAL 신호나 SECAM 신호를 얻기 위한 컴포넌트 신호이며, YCbCr 및 YPbPr과는 유사하지만 다르므로, DVD나 HD 영상의 기록에 사용되는 데이터 표기로 YUV를 사용하는 것은 오류이다. 다만, U, V의 값 범위를 [-0.5, 0.5]로 변환하면 Cb, Cr이 된다.[13]

현재는 YUV를 색 공간 모델의 총칭으로 사용하며, RGB와의 색 공간 변환에서의 컬러 매트릭스 차이 및 샘플링 사양을 정의한 신호의 호칭으로 YCbCr 및 YPbPr을 사용하는 것이 주류가 되고 있다.

6. 색차 성분 간략화 방법

YCbCr에서는 대역폭을 줄이기 위해 색차 성분을 간헐적으로 샘플링하는 방법을 사용한다. 인간의 눈은 색의 변화보다 밝기의 변화에 더 민감하기 때문에, 색차 성분을 줄여도 부자연스럽게 느끼기 어렵기 때문이다. 비디오 포맷으로 채택된 것에는 다음과 같은 종류가 있다.[12]

포맷설명주요 사용처
4:4:4Y, Cb(Pb), Cr(Pr) 각 성분을 수평 화소에 대해 4:4:4 비율로 기록한다. 즉, 신호를 간헐적으로 샘플링하지 않고 모두 기록하므로 가장 고화질의 포맷이다.
4:2:2Y, Cb(Pb), Cr(Pr) 각 성분을 수평으로 4:2:2 화소 비율로 기록한다. 즉, 수평으로 나란히 놓인 화소에 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,…의 번호를 부여했을 경우, Y 신호는 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,…의 각 화소에 대해 정보를 기록하지만, Cb(Pb)와 Cr(Pr)에 대해서는 1, 3, 5, 7,…의 화소에만 정보를 기록하며, 재생 시에는 화소 1의 색차 정보를 화소 1, 2에 적용하고, 화소 3의 색차 정보를 화소 3, 4에 적용하는 식으로 보완한다.소니의 디지털 베타캠, 베타캠 SX, HDCAM, HDCAM-SR(YPbPr 기록), 파나소닉의 D-5, DVCPRO50, HD-D5(YPbPr 기록), AVC-Intra(100Mbps 기록)
4:1:1Y, Cb(Pb), Cr(Pr) 각 성분을 수평으로 4:1:1 화소 비율(휘도 4 화소에 대해 색차 1 화소)로 기록한다.525/60 권역에서 사용하는 가정용 DV 포맷과 업무용 DVCAM, DVCPRO(25Mbps 기록) 포맷
4:2:0색차 신호를 휘도 신호의 2 화소마다 기록하는 방식이지만, 1 프레임째의 홀수 번째 주사선에서는 Cb(Pb) 신호만을 기록하고, 짝수 번째 주사선에서는 Cr(Pr) 신호만을 기록, 2 프레임째의 홀수 번째 주사선에서는 반대로 Cr(Pr) 신호만을 기록하고, 짝수 번째 주사선에서는 Cb(Pb) 신호만을 기록하며, 이후 프레임에서는 이를 반복하는 식으로, Cb(Pb)와 Cr(Pr) 신호를 주사선마다 간헐적으로 샘플링하여 기록한다. 재생 시, 기록되지 않은 색차 신호의 데이터는, 한 줄 위의 주사선의 데이터로 보완한다.DVD를 비롯한 일반적인 MPEG 압축 포맷(디지털 방송, D-VHS, BD)이나 HDV, AVCHD 등의 가정용 카메라 포맷, 소니의 XDCAM-HD, XDCAM-EX, AVC-Intra(50Mbps 기록), 625/50 권역의 DV, DVCAM 포맷 등


7. 동영상 포맷

PC나 인터넷에서 사용하는 동영상 포맷에서도 이와 유사한 개념이 나타난다.

종류설명
YUV444 (YUV)수평 4픽셀당 휘도 성분과 두 개의 색차 성분을 각 4픽셀씩 샘플링하는 방식이다. 각 성분을 8bit로 양자화하면, 1픽셀당 정보량은 24bit가 된다.
YUV12각 픽셀을 표현하는 데 필요한 비트 수가 12비트인 YUV. YUV420과 YUV411의 총칭이다.
YUV422수평 2픽셀에서 색차 신호를 1픽셀분만 가져오는 형식이다. 휘도 신호는 1픽셀마다 가져온다. 1픽셀은 16bit의 정보량이 된다. 주로 업무용 비디오의 포맷으로 채용되고 있다.
YUV420수평·수직 2×2 픽셀 중, Cb 신호를 위쪽 2픽셀에서 1픽셀 가져오고, Cr 신호를 아래쪽 2픽셀에서 1픽셀 가져오는 방식이다. 프레임마다 Cb와 Cr의 위치를 반전시킨다. 휘도 신호는 1픽셀마다 가져온다. 원리적으로 너비와 높이는 2의 배수여야 한다. 디지털 방송에서는 이것이 채용되고 있다. YUV420 중, 픽셀 단위가 아닌, 프레임 단위로 Y→U→V 순서로 배열한 것을 I420 또는 IYUV, Y→V→U 순서로 배열한 것을 YV12라고 부른다. 이 둘 중 하나가 동영상 압축에 자주 사용된다.
YUV411수평 4픽셀 중, Cb, Cr 신호를 각 색상 1픽셀씩 가져오는 형식이다. 휘도 신호는 1픽셀마다 가져온다.
YUV94×4 픽셀에서 1개의 색차 신호만 가져오는 방식이다. 휘도 신호는 1픽셀마다 가져온다. 1픽셀은 9비트이다.


참조

[1] 학술지 EG 28:1993 - SMPTE Engineering Guideline - Annotated Glossary of Essential Terms for Electronic Production https://web.archive.[...] 1993-05
[2] 문서 "YUV and ''luminance'' considered harmful: A plea for precise terminology in video" http://www.poynton.c[...]
[3] 문서 CIELUV
[4] 문서 CIE 1960 color space
[5] 학술지 Projective Transformations of I. C. I. Color Specifications http://www.opticsinf[...] 1937-08-01
[6] 문서 RGB and YUV Color http://joemaller.com[...]
[7] 서적 Principles of Television Reception Pitman Publishing 1971
[8] 웹사이트 BT.470: Conventional television systems https://www.itu.int/[...] 2021-04-16
[9] 웹사이트 World Analogue Television Standards and Waveforms http://www.radios-tv[...] 2021-04-16
[10] 학술지 ST 170:2004 - SMPTE Standard - For Television — Composite Analog Video Signal — NTSC for Studio Applications https://web.archive.[...] 2004-11
[11] 뉴스 "Super Hi-Vision" as Next-Generation Television and Its Video Parameters http://www.informati[...] Information Display 2013-01-01
[12] 간행물 Limiting of YUV digital video signals http://downloads.bbc[...] BBC 1987
[13] 서적 Digital video and HDTV algorithms and interfaces http://www.poynton.c[...] 2003
[14] 서적 ビデオ信号の基礎とその操作法 CQ出版
[15] 문서
[16] 문서
[17] 문서
[18] 문서
[19] 문서
[20] 문서
[21] 문서 Engineering Guideline EG 28, "Annotated Glossary of Essential Terms for Electronic Production," SMPTE, 1993.
[22] 문서 "YUV and ''luminance'' considered harmful: A plea for precise terminology in video" http://www.poynton.c[...]
[23] 웹인용 RGB and YUV Color http://joemaller.com[...] 2008-02-24


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