了解显示器中的色彩空间转换

色彩空间是一个非常强大的工具，在捕捉、传输和再现人眼时会派上用场。相机、GPU、传输电缆 （HDMI/DP） 和显示器等系统使用色彩空间指标来保留和转换颜色。此技术有助于将真实颜色映射到颜色模型的离散值。

颜色建模是一种描述颜色的数学方法，独立于相机和显示器等物理设备。有五种主要的颜色模型细分为其他颜色模型：CIE，RGB，YUV，HSL/HSV和CMYK。

为什么 YUV 优于 RGB

YCbCr 是一种消费类视频格式和编码高清的表示形式，而 RGB 是一种传统的计算机格式。一个并不优于另一个，因为每个都有自己的优点和缺点。YCbCr通常优于RGB，因为它具有天然性质。但是，许多显示器（几乎所有DVI输入）仅接受RGB。YCbCr 格式在传输和再现高清、3D、超高清和 8k 视频方面非常先进。因此，如果您的显示器是HDMI，如果不切换到RGB，则可能会接受YCbCr。

研究表明，人眼对亮度（光的强度）敏感，但对色度（颜色的敏感性）不那么敏感。YCbCr 色彩空间利用这一事实，通过分离场景的亮度和色度分量并降低色度来实现更具吸引力的场景和图像表示。

颜色子采样

YCbCr的表示将亮度和色度分开，使计算系统可以轻松地使用更少的位对图像进行编码。这是通过颜色子采样实现的，它只是以较低的分辨率对色度分量进行编码。为了进一步解释，让我们深入介绍四种常用的子采样方案：4：4：4、4：2：2、4：2：0 和 4：0：0。

4：4：4 采样

4：4：4 是水平和垂直方向的完整分辨率，不进行子采样。每个像素都有亮度（Y）和色度（cr，cb）分量。

两个色度阵列中的每一个都具有与亮度阵列相同的高度和宽度。

帧带宽计算：

帧大小（以字节为单位）= 3 * Color_depth * 宽度（长度）* 高度

4：2：2 采样

在4：2：2中，每条活性线中一半的色度化合物被去除。在下面的示例中，删除了第 1 行 （cr01， cb01） 和 （cr03， cb03） 色度化合物。

两个色度阵列中的每一个都具有相同的高度和亮度阵列宽度的一半。

帧带宽计算：

帧大小（以字节为单位）= 2 * Color_depth * 宽度（长度）* 高度

4：2：0 采样

在 4：2：0 中，色度在两行中呈现一次，并且在每行色度呈现中去除一半的色度化合物。在下图中，删除了第1行色度化合物（cr01，cb01）和（cr03，cb03）。但在行2中，所有色度化合物（cr10，cb10）（cr11，cb11）（cr12，cb12）和（cr13，cb13）都被去除。

在 4：2：0 采样中，两个色度数组中的每一个都具有亮度阵列的一半高度和一半宽度。

帧带宽计算：

帧大小（以字节为单位）= 3 * Color_depth *（宽度 /2）* 高度

仅 Y 或 4：0：0 采样

在单色采样中，只有一个采样阵列，名义上称为亮度阵列。

帧带宽计算：

帧大小（以字节为单位）= 1* Color_depth *（宽度）* 高度

RGB 到 YCBCR 转换矩阵：

YCbCr 到 RGB 之间的转换通常在 DTV 接收到 YCbCr 编码图片后在 DTV 内进行。YCbCr 颜色分量样本和 RGB 颜色分量样本之间的转换可以通过应用以下四种转换矩阵之一来完成：ITU-R BT.601 [6]、ITU-R BT.709 [7]、ITU-R BT.2020 [40] 恒定亮度或 ITU-R BT.2020 [40] 非恒定亮度。

默认情况下，标清视频格式根据 ITU-R BT.601 [6] 色彩空间进行编码，高清视频为 2k 格式根据 ITU-R BT.709 [7] 色彩空间进行编码，ITU-R BT.2020 [40] 用于 4k 视频。

为方便起见，ITU-R BT.601 [6] 颜色转换矩阵如下所示。

Y'= 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B'

CR' = （（R' – Y'） * 0.71327）

CB' = （（B' – Y'） * 0.56433）

为方便起见，ITU-R BT.709 [7] 颜色转换矩阵如下所示。

Y'= 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B'

CR' = （（R' – Y'） / 1.5748）

CB' = （（B' – Y'） / 1.8556）

为方便起见，ITU-R BT.2020 [40] 恒定亮度颜色转换矩阵如下所示。

YC'= （0.2627 R + 0.6780 G + 0.0593 B）'

CRC' = （（R' – YC'） / 1.7184） 表示 -0.8592 ≤ （R' – YC'） ≤ 0

CRC' = （（R' – YC'） / 0.9936） 表示 0 < （R' – YC'） ≤ 0.4968

CBC' = （（B' – YC'） / 1.9404） 表示 -0.9702 ≤ （B' – YC'） ≤ 0

CBC' = （（B' – YC'） / 1.5816） 表示 0 < （B' – YC'） ≤ 0.7908

为方便起见，ITU-R BT.2020 [40] 非恒定亮度颜色转换矩阵如下所示。

Y'= 0.2627 R' + 0.6780 G' + 0.0593 B'

CR' = （（R' – Y'） / 1.4746）

CB' = （（B' – Y'） / 1.8814）

素数值是非线性色彩空间中的转换级别。

色彩空间在智能手机、笔记本电脑、显示器和家庭影院中发挥着关键作用。色彩空间是图像捕捉、存储、转换、传输和再现的关键主题。它正在快速增长，以应对消费电子，动画和图像处理行业带来的挑战。

审核编辑：郭婷