Просмотр EXIF-данных YUV

YCbCrA — это цветовое пространство и формат изображения, обычно используемые для цифрового видео и сжатия изображений. Он отделяет информацию о яркости (яркость) от информации о цвете (цвет), что позволяет сжимать их независимо для более эффективного кодирования. Цветовое пространство YCbCrA является вариантом цветового пространства YCbCr, который добавляет альфа-канал для прозрачности.

В цветовом пространстве YCbCrA Y представляет компонент яркости, который является яркостью или интенсивностью пикселя. Он вычисляется как взвешенная сумма красного, зеленого и синего цветовых компонентов на основе того, как человеческий глаз воспринимает яркость. Веса выбираются для приближения функции яркости, которая описывает среднюю спектральную чувствительность человеческого зрительного восприятия. Компонент яркости определяет воспринимаемую яркость пикселя.

Cb и Cr — это компоненты цветности синей разности и красной разности соответственно. Они представляют цветовую информацию на изображении. Cb вычисляется путем вычитания яркости из синего цветового компонента, в то время как Cr вычисляется путем вычитания яркости из красного цветового компонента. Разделяя цветовую информацию на эти компоненты цветовой разности, YCbCrA позволяет сжимать цветовую информацию более эффективно, чем в RGB.

Альфа-канал (A) в YCbCrA представляет прозрачность или непрозрачность каждого пикселя. Он указывает, какая часть цвета пикселя должна быть смешана с фоном при рендеринге изображения. Значение альфа 0 означает, что пиксель полностью прозрачен, в то время как значение альфа 1 (или 255 в 8-битном представлении) означает, что пиксель полностью непрозрачен. Значения альфа между 0 и 1 приводят к частично прозрачным пикселям, которые смешиваются с фоном в разной степени.

Одним из основных преимуществ цветового пространства YCbCrA является то, что оно обеспечивает более эффективное сжатие по сравнению с RGB. Зрительная система человека более чувствительна к изменениям яркости, чем к изменениям цвета. Разделяя информацию о яркости и цветности, YCbCrA позволяет кодировщикам выделять больше битов для компонента яркости, который несет наиболее важную для восприятия информацию, в то время как компоненты цветности сжимаются более агрессивно.

Во время сжатия компоненты яркости и цветности могут быть подвергнуты субдискретизации с разной скоростью. Субдискретизация уменьшает пространственное разрешение компонентов цветности, сохраняя при этом полное разрешение компонента яркости. Общие схемы субдискретизации включают 4:4:4 (без субдискретизации), 4:2:2 (цветность горизонтально субдискретизируется с коэффициентом 2) и 4:2:0 (цветность горизонтально и вертикально субдискретизируется с коэффициентом 2). Субдискретизация использует более низкую чувствительность зрительной системы человека к деталям цвета, что позволяет достичь более высоких коэффициентов сжатия без значительной потери воспринимаемого качества.

Формат изображения YCbCrA широко используется в стандартах сжатия видео и изображений, таких как JPEG, MPEG и H.264/AVC. Эти стандарты используют различные методы для сжатия данных YCbCrA, включая субдискретизацию цветности, дискретное косинусное преобразование (DCT), квантование и энтропийное кодирование.

При сжатии кадра изображения или видео данные YCbCrA проходят ряд преобразований и этапов сжатия. Сначала изображение преобразуется из RGB в цветовое пространство YCbCrA. Затем компоненты яркости и цветности разбиваются на блоки, обычно размером 8x8 или 16x16 пикселей. Каждый блок подвергается дискретному косинусному преобразованию (DCT), которое преобразует пространственные значения пикселей в частотные коэффициенты.

Затем коэффициенты DCT квантуются, что означает деление каждого коэффициента на шаг квантования и округление результата до ближайшего целого числа. Квантование вводит с потерями сжатие путем отбрасывания высокочастотной информации, которая менее важна для восприятия. Шаги квантования можно регулировать для управления компромиссом между коэффициентом сжатия и качеством изображения.

После квантования коэффициенты переупорядочиваются в зигзагообразном порядке, чтобы сгруппировать коэффициенты низких частот, которые, как правило, имеют большие величины. Переупорядоченные коэффициенты затем кодируются с использованием таких методов, как кодирование Хаффмана или арифметическое кодирование. Энтропийное кодирование назначает более короткие кодовые слова более часто встречающимся коэффициентам, что еще больше уменьшает размер сжатых данных.

Для распаковки изображения YCbCrA применяется обратный процесс. Энтропийно закодированные данные декодируются для получения квантованных коэффициентов DCT. Затем коэффициенты деквантуются путем умножения их на соответствующие шаги квантования. Обратное DCT выполняется для деквантованных коэффициентов для восстановления блоков YCbCrA. Наконец, данные YCbCrA преобразуются обратно в цветовое пространство RGB для отображения или дальнейшей обработки.

Альфа-канал в YCbCrA обычно сжимается отдельно от компонентов яркости и цветности. Он может быть закодирован с использованием различных методов, таких как кодирование длин серий или блочное сжатие. Альфа-канал позволяет использовать эффекты прозрачности, такие как наложение изображений или видео друг на друга с переменной непрозрачностью.

YCbCrA предлагает несколько преимуществ по сравнению с другими цветовыми пространствами и форматами изображений. Его разделение информации о яркости и цветности обеспечивает более эффективное сжатие, поскольку зрительная система человека более чувствительна к изменениям яркости, чем к изменениям цвета. Субдискретизация компонентов цветности дополнительно уменьшает объем данных, подлежащих сжатию, без существенного влияния на воспринимаемое качество.

Кроме того, совместимость YCbCrA с популярными стандартами сжатия, такими как JPEG и MPEG, делает его широко поддерживаемым на разных платформах и устройствах. Его способность включать альфа-канал для прозрачности также делает его подходящим для приложений, требующих композитинга или смешивания изображений.

Однако YCbCrA не лишен недостатков. Преобразование из RGB в YCbCrA и обратно может привести к некоторому искажению цвета, особенно если компоненты цветности сильно сжаты. Субдискретизация компонентов цветности также может привести к смешиванию цветов или артефактам в областях с резкими цветовыми переходами.

Несмотря на эти ограничения, YCbCrA остается популярным выбором для сжатия изображений и видео благодаря своей эффективности и широкой поддержке. Он обеспечивает баланс между производительностью сжатия и визуальным качеством, что делает его подходящим для широкого спектра приложений, от цифровых камер и потокового видео до графики и игр.

По мере развития технологий могут появиться новые методы и форматы сжатия, которые устранят ограничения YCbCrA и обеспечат еще лучшую эффективность сжатия и визуальное качество. Однако фундаментальные принципы разделения информации о яркости и цветности, субдискретизации и кодирования преобразования, вероятно, останутся актуальными в будущих стандартах сжатия изображений и видео.

В заключение, YCbCrA — это цветовое пространство и формат изображения, который обеспечивает эффективное сжатие путем разделения информации о яркости и цветности и допускает субдискретизацию цветности. Включение в него альфа-канала для прозрачности делает его универсальным для различных приложений. Несмотря на некоторые ограничения, совместимость YCbCrA с популярными стандартами сжатия и его баланс между производительностью сжатия и визуальным качеством делают его широко используемым выбором в области сжатия изображений и видео.