YUV

YUV、YCbCr、YPbPr色空間とその周辺

YUV、YCbCr、YPbPrは、画像や映像の色情報を表現する色空間です。これらは、輝度(Y)と色差(U, V, Cb, Cr, Pb, Pr)の2つの信号で色を表現します。輝度信号Yは明るさを、色差信号は色の違いを表しており、人間の視覚特性に合わせて、明るさの情報に重点を置いています。

表記の混乱

YCbCrとYUVはしばしば混同されますが、厳密には異なります。YUVはPALやSECAMといったアナログ映像規格で使用されるコンポーネント信号を指し、YCbCrやYPbPrはデジタル映像で主に用いられる色空間です。どちらも輝度と色差信号で構成されていますが、色差信号の計算方法や信号の範囲が微妙に異なります。U、Vの値域を調整することでCb、Crに換算できます。近年ではYUVを色空間モデルの総称として扱い、具体的な信号規格としてYCbCrやYPbPrを使うのが一般的です。

YCbCrとYPbPrの使い分け

YCbCrとYPbPrの使い分けは必ずしも明確ではなく、複数の説があります。一説には、アナログ信号にはCb、Crを、デジタル信号にはPb、Prを使うという考え方があります。もう一説では、SD（標準画質）映像にはCb、Crを、HD（高画質）映像にはPb、Prを使うというものです。多くのビデオ機器では後者の方法が採用されています。これは、SDとHDでRGBからYUVへの変換マトリックスが異なるため、HDではPb、Prを用いることがより適切とされているためです。さらに、規格によっても異なっており、ARIB（日本）はPb、Prを、SMPTE（米国）はアナログでPb、Pr、デジタルでCb、Crを使用するなど、統一されていません。HDMIデジタル伝送ではCb、Crを使用しています。

信号の伝送

YCbCr信号の伝送方法は、機器の種類や信号形式によって異なります。業務用アナログビデオ機器ではBNC端子で接続された3本の信号線を使用します。デジタル伝送では、SDI（単一ケーブル）やパラレルインターフェースが使われます。家庭用ビデオ機器では、アナログの場合はコンポーネント端子（RCA端子3本）やD端子ケーブルが用いられ、デジタルの場合はIEEE 1394（i.LINK）やHDMIが使われます。なお、コンポジット端子やS端子で伝送されるNTSC信号は輝度、色相、彩度で構成されており、YCbCr信号とは異なります。

色差成分のダウンサンプリング

人間の目は明るさの変化に敏感で、色の変化には比較的鈍感です。このため、帯域を削減する際に色差成分を間引く（ダウンサンプリング）方法が用いられます。代表的なサンプリング方式には以下のものがあります。

4:4:4: すべての成分（Y, Cb, Cr）をすべての画素で記録します。最高画質ですが、データ量も大きくなります。
4:2:2: 水平方向に色差成分を間引きます。業務用ビデオ機器で広く使われています。
4:1:1: 水平方向により強く色差成分を間引きます。家庭用DVフォーマットなどに使用されています。
4:2:0: 水平・垂直方向に色差成分を間引きます。DVDやデジタル放送などで広く使用されています。フレームごとにCbとCrの位置を反転させることで、4:1:1と同じ情報量で、色信号の水平解像度と垂直解像度のバランスが良いフォーマットです。

これらのサンプリング方式は、圧縮効率と画質のバランスによって使い分けられます。

動画フォーマット

パソコンやインターネットで用いられる動画フォーマットでも、同様の概念が使用されます。YUV444、YUV422、YUV420、YUV411、YUV9など、様々なフォーマットが存在し、それぞれ色差成分のサンプリング方法が異なります。YUV420は特にデジタル放送などで広く用いられています。I420とYV12はYUV420のデータの並び順が異なるバリエーションです。

RGBとの変換

YUVとRGBは相互に変換可能です。変換には、それぞれの規格（PAL/SECAM、ITU-R BT.601、ITU-R BT.709など）に応じたマトリックスを用います。記事にはこれらの変換式が数式として記載されています。コンピュータでの計算は、かつては整数演算が主流でしたが、現在はSIMDを用いた高速な計算が行われています。

MPEGにおけるYUV変換

MPEG圧縮では、整数演算を用いてYUV変換が行われます。RGBの値域は0～255の8ビットですが、Yの値域は16～235、UとVは16～240と調整されます。このため、RGB→YUV→RGBの変換で元の色に戻らない場合があります。変換プロセスは、基本的な行列変換、8ビットへの丸め処理、値域の調整からなります。

まとめ

YUV、YCbCr、YPbPrは、映像の色情報を効率的に表現するための色空間です。規格や用途によって表記や変換式が異なることに注意が必要です。また、色差成分のダウンサンプリングは圧縮効率向上に重要な役割を果たします。これらの知識は、画像処理や映像技術を理解する上で不可欠です。

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