¿Por qué se transmiten las señales de diferencia de color en lugar de las señales R,G,B?

Question

En los sistemas de televisión en color de los primeros tiempos, se solían transmitir señales de diferencia de color (Y-R) e (Y-B) junto con Y, que es la señal de luminancia. Mi pregunta es por qué se transmiten las señales de diferencia de color en lugar de sólo dos de las tres señales R,G,B junto con Y? ¿Qué necesidad hay de señales de diferencia de color en lugar de RG, GB o RB puras?

Answer 1

Dado que las transformaciones de color son una matriz lineal de 3x3, también lo es la conversión de RGB a YUV y viceversa. El Y es necesario de todos modos para la compatibilidad con los televisores en B/N, y la señal Y está formada principalmente por el componente G, luego por el componente R y, en menor medida, por el componente B, en determinadas proporciones.

Como las señales RGB tienen todo el ancho de banda de la cámara, también lo tiene el Y calculado. Como los ojos humanos son más sensibles a la luminancia que al color, no tiene sentido desperdiciar el ancho de banda para la transmisión directa de las señales R o G o B. La señal de color también debe ocultarse dentro de la transmisión de B/N.

Dado que la conversión de RGB a YUV es una matriz lineal, se obtienen 3 componentes si se introducen 3 componentes. Como los coeficientes para calcular Y a partir de RGB son conocidos, los otros dos componentes son los que describen los otros dos componentes U y V.

Los componentes U y V necesitan contener el resto de la información para calcular el RGB, y como Y ya contiene la mayor parte del componente G, los U y V deberían contener la mayor parte de los componentes R y B, excepto las partes RGB que ya se enviaron con Y. Por eso el componente G no se utiliza. Como el cálculo de Y se hacía con divisores de resistencias y amplificadores analógicos de RGB, había que minimizar la circuitería, y dentro de un convertidor de RGB a Y ya existen los componentes RGB y la suma ponderada Y, así que lo más fácil era calcular también R-Y y B-Y ya que darían lugar a señales más grandes que G-Y. Así que ahora el R-Y y el B-Y son las señales que contienen menos información de luminancia y más información de color. Y como Y necesita un mayor ancho de banda y la información de color no, el ancho de banda de las señales de diferencia de color R-Y y B-Y puede reducirse aún más, por lo que ninguna de las señales R o G o B se envía directamente.

Answer 2

Me referiré brevemente a un par de puntos. Un análisis completo de la señal de televisión analógica en color y de las decisiones que se tomaron en su diseño llenaría un libro.

Cuando se introdujo la televisión en color, el formato de emisión ya estaba bien establecido, con canales de 6 MHz, utilizando AM VSB para la señal de vídeo (Y) y una subportadora FM a 4,5 MHz para el sonido. Había que encontrar la manera de añadir información de color a esta señal sin utilizar ningún ancho de banda adicional y sin crear ninguna incompatibilidad con los receptores BW.

Para lograrlo, tomaron dos decisiones clave:

• Utilizar el modelo HSB (tono, saturación, brillo) para representar imágenes en color
• Codificar la información de color como una subportadora modulada en fase y amplitud

Como la señal Y existente es exactamente equivalente a la luminosidad en el modelo HSB, eso significa que sólo hay que codificar H y S en la subportadora. Se optó por codificar el tono como el ángulo de fase de la subportadora, y la saturación como la amplitud de la subportadora. La referencia de fase de 0° viene dada por una señal de "ráfaga de color" que se insertó en el intervalo de supresión horizontal.

Escogiendo cuidadosamente las frecuencias utilizadas, 1 y suprimiendo la propia portadora de color y enviando sólo sus bandas laterales, la nueva información de color se "intercalaba" efectivamente en el mismo espectro utilizado por la señal Y existente sin crear artefactos visuales para los receptores BW.

Por último, volviendo a tu pregunta, las señales B-Y y R-Y son sólo una forma (la más común) de expresar la fase y la amplitud de la subportadora de color - puedes pensar en ellas como las coordenadas "rectangulares" de lo que es realmente una señal "polar". Se denominan así porque el matiz "azul" se define como cercano a 0° de fase (máxima señal B-Y positiva), y el matiz "rojo" se define como cercano a 90° de fase (máxima señal R-Y positiva). El matiz "verde" está cerca de 225° de fase, lo que corresponde a los valores negativos máximos de B-Y y R-Y.

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1 Por si tienes curiosidad, aquí tienes los detalles para NTSC. La señal BW original utilizaba frecuencias de 15750 Hz y 60 Hz para el barrido horizontal y vertical. Para minimizar los efectos visuales de cualquier fuga de la subportadora de audio en la señal de vídeo, las frecuencias de exploración se redujeron en un factor de 1,001 (a 15734,3 Hz y 59,94 Hz, respectivamente). Esto hizo que la subportadora de audio fuera exactamente 286× la frecuencia de exploración horizontal, lo que hizo que cualquier artefacto se quedara más o menos quieto en la pantalla. Esto también coloca la subportadora de audio en uno de los "nulos" del filtro de peine de la subportadora de color. Para conseguir el intercalado en el dominio de la frecuencia del que hablaba, la frecuencia de la subportadora de color debía ser un múltiplo impar de la mitad de la velocidad de barrido horizontal. Eligieron 455/2, lo que hace que la frecuencia de la subportadora de color sea 15750/1,001*455/2 = 3,579545 MHz.

Answer 3

Se necesita Y (R+G+B), también conocido como luminancia, para representar la señal monocromática, tanto por compatibilidad con la televisión B+W, como porque es la parte más importante de la señal de televisión en color, que requiere el mayor ancho de banda.

Se necesitan otras dos señales para transmitir tres canales de color... pero ¿por qué U y V en lugar de R y B? (no G, porque Y es mayoritariamente G de todos modos)

Porque, a excepción de los colores más brillantes de la imagen, hay menos información en U y V que en R y B: de hecho, para una escala de grises no hay ninguna información en las señales de diferencia de color, y para los colores pastel, muy poca. Por lo tanto, las señales R y B serían principalmente duplicados de la señal G (o Y), mientras que U y V son de baja amplitud (y hacen relativamente poco daño a la señal monocromática Y sobre la que se superponen)

La reducción de la información auxiliar a transmitir, permite la transmisión con menos espacio de señal.

Los experimentos han demostrado que el ancho de banda de las señales de diferencia de color puede reducirse a unos 0,5 MHz (frente a los 5,5 MHz del canal de luminancia en un sistema de 625 líneas) sin perjudicar demasiado la calidad de la imagen.

Answer 4

Como otros han explicado en detalle, YCbCr es básicamente un truco de compatibilidad para la televisión en blanco y negro combinado con una forma de enviar la información cromática a una resolución inferior a la de la información luma para hacer un uso eficiente del ancho de banda disponible.

Lo que otros no han mencionado, y que creo que te beneficiaría, es la página de Xiph.org Un manual de medios digitales para geeks que comienza en el video a las 16:00 (aunque la primera mención de lo que le interesa específicamente comienza alrededor de las 17:23 si no recuerdo mal).

Cubre cosas como el entrelazado, la gamma, el YCbCr, el submuestreo y varias otras cosas que quieres saber para ser eficaz en el estudio autodirigido.