為什麼要用色差

為什麼要用色差(Color Difference)信號，而不用RGB信號？ 目前市面上，消費者能看到有三種視頻訊號，分別是 · Composite video · S-Video (Y/C Video) · Component video 在電視沒有AV端子之前，如果要看錄影機則需將錄影機來的訊號調變成電視可以接受的頻道的頻率，比如說是第13台，方可從電視裡看到錄影帶的畫面。後來AV端子出現了，audio與video各走各的路，此時的video信號即是composite video signal。所謂composite(混合)乃是指其亮度(luminance)信號與色度或彩度(chrominace)信號是夾雜在一起傳送的。 到了S-VHS與Hi-8出來後，又多了一種端子，即S端子。S端子乃是將亮度信號( Y )與彩度信號( C )分開傳送，我自己有個有趣的經驗，就是有一條S訊號線被我拔來拔去，後來居然線裡面接觸不良，結果出來的畫面變成黑白的。注意了，同樣是彩度(Chrominace)信號，不同的電視系統所代表的也不同。如NTSC的彩度信號是以IQ信號表之，而PAL(Phase Alternate Line) 的彩度信號是以UV信號表示。 隨著DVD及投影電視的興起，消費者注意到另一種視頻信號的興起，即是component signal或稱色差信號。因為component signal以DVD來說(嚴格說來是MPEG，請參閱文後之補註)是由Y, Cr, Cb所組合而成的，Y即是亮度信號，CrCb是色度或彩度信號。 本文的目的即再對這些不同的信號做一簡介，並解釋為何要以色差信號來作為傳遞之訊號，以免有些讀者面對越來越多的輸出入端子，有點不知所措，甚至買了不相容的器材。 為什麼要用色差(Color Difference)信號? 新型的DVD player後方的輸出端子除了常見的AV端子及S端子外，又多了一組Y, Cr, Cb，即是色差輸出端子。雖然目前絕大部分的電視並沒有色差輸入端子，但可預料的是就如同目前的S端子，以後的色差(component signal)輸出入端子也會成為電視的標準配備(至少在較為High-End的電視) 。 如同本文後面所提，MPEG是以色差信號為編碼之輸入信號，因此在解碼時如同fig. 1，即是先將色差信號解出，再經過一個video signal編碼器轉變成一般的YC信號及composite(AV)信號。音響界常說『少隻香爐，少個鬼』，所以有很多無音控前級擴大機或有CD可直接輸入之後級擴大器，既然如此，在DVD player上也可如法泡製，在色差信號送到video signal編碼器之前就直接輸出。其實這樣的想法其實這就跟當初S端子是一樣的，目前市面上以YC訊號來記錄影像的有錄影機(VHS,S-VHS, Beta, 8mm,Hi-8) ，LD則是將完整的video signal紀錄到雷射碟片上。所以LD player的YC分離電路做得好時，建議讀者可以使用S端子，如此就可以跳過電視機本身的YC分離電路。反之，如果讀者使用的是一部遠比LD player高級的電視時，您也不必堅持非得用S端子，因為電視裡頭的YC分離電路可能比LD player的效果來的好。 Fig. 1 MPEG Video Output之流程 或許有讀者會問：那電視裡頭可需再一層的手續來處理這component signal嗎? 首先我們看看電視訊號是如何產生的，請參考Fig. 2 Fig. 2電視訊號之產生 最前面是RGB三原色之攝影機，實際的攝影機當然只有一個，透過RGB之filters取出不同顏色之信號，然後經過矩陣電路轉成Y, R-Y, B-Y訊號，這樣的訊號還不能傳輸，必需將R-Y與B-Y(這兩個訊號即是彩色訊號)調變至高頻(NTSC是3.58MHz)再與Y訊號相加，然後再調變至該台的頻率再發射出去。 最主要是有兩點考量：一為相容性，二為頻寬之考量。 電視機這頭呢?當然就是反其道也。如下圖所示 所以讀者們可從上圖得知，色差輸入的訊號所需經過的線路比composite signal與YC信號要經過的線路少。假設您現有的電視並沒有component signal input，則原有DVD解出來的色差訊號就需經過NTSC(or PAL) Encoder，如此您家的電視才可接收DVD player出來的影像，可是這麼一來決定DVD影像的好壞就又多了個因素，那就是這個encoder。其實這個encoder就有些像CD player中的DA converter IC(如Burr Brown PCM63PK, PCM1702等等) ，它們的好壞決定了輸出品質的好壞。當然也不是完全決定，就好比CD player中的數位濾波器，AV decoder也會影響品質，不過話說回來如果片子的製作過程就很粗糙，那讀者們也別太指望輸出的品質。 那可能又有一些讀者要問了，既然『少隻香爐，少個鬼』，為什麼不通通用RGB來傳送video signal呢?簡單的說，有兩個原因，一是相容性，二是頻寬的考量。 Compatible相容性 最早的電視是黑白電視，也就是當初的電視台只需發射(以那時的技術也只能發射)黑白的電視訊號。但後來要推出彩色電視系統時，也需顧忌到舊有的黑白電視與彩色電視信號間的相容性。於是就有將黑白(亮度)信號與彩色信號分開的做法彩色信號，如此一來，對於黑白電視來說，只要把電視台送過來的信號中的黑白信號解出即可；而彩色電視則把彩色信號一起解開就可收看到彩色的畫面。這是為什麼要YC分離的原因之一。 Bandwidth頻寬 以色差信號來記錄影像的另一考量是為了節省頻寬。 人的眼睛對亮度信號比彩色信號來的敏感，也就說人對彩色的東西解析度的要求沒有黑白來的高，這也就是我們常看到用來判斷電視解析度的圖形都是以黑白為主，而不是以彩色為主，所以亮度信號的頻寬一定比彩色信號來的寬。 人的眼睛對亮度信號比彩色信號來的敏感，。所以彩色信號的頻寬就不必像黑白(亮度)信號來的高，利用肉眼對色彩的特性，我們可將其頻寬降至1.5MHz(亮度信號所需頻寬約4.2MHz)。如果您要用RGB來傳送的話，就需要傳送三個彩色信號而非兩個色差信號。 Y, Cr, Cb 再以數位視頻訊號標準CCIR601來說，他的YCrCb取樣方式就有4:4:4, 4:2:2及4:1:1等不同方式。以NTSC(525條掃瞄線，每秒60個圖場field)下的4:2:2為例， 每條掃瞄線共取樣858個亮度信號(Y)及429個彩度信號(CrCb) ，也就是說其取樣頻率分別為858x525x30=13.5Mhz(亮度信號)及6.75Mhz彩度信號。所以4:2:2即是當Y每取四個點時，Cr及Cb則取二個點。 YCrCb信號是由CCIR(International Consultative Committee for Radio )所定的一種數位視頻信號標準，由於最早是出現在CCIR recommendation 601內，有時又把這種標準稱為CCIR 601標準。YCrCb與YUV的定義基本上是相同的，不過CrCb較UV信號少了前面的係數(即0.493與0.877) 。 Y,U,V YUV是用於PAL電視系統之標準。UV並非任何字的一個單字的字首。 Y=0.299R+0.587G+0.114B 注意到0.299+0.587+0.114=1.0三原色的係數之所以不同是因為人的眼睛對不同波長的顏色有著不同的敏感度。 U=-0.147R-0.289G+0.436B=0.493(B-Y) V=0.615R-0.515G-0.1B=0.877(R-Y) 所謂R-Y可以想成將紅色(Red)減掉亮度信號，實際上呢並不完全正確，一個正的B-Y應該是偏紫的紅色，負的B-Y應該是偏藍的綠色。而正的B-Y相當於偏紫的藍色，負的B-Y相當於偏綠的黃色。 Y,I,Q YIQ是用於NTSC電視系統之標準。I表示In-phase，Q表示Quadrature-phase，Q信號的相位角較I信號多90度。在彩色電視系統裡，彩色信號是由一向量系統(就是個位以前學的極座標)來表示，向量的大小用來表示色彩的Saturation，角度(或說是相位)則是表示色彩的Hue，如下圖。 簡單的說，有一個基準的彩色訊號，任何進來的彩色訊號只要與這個基準的彩色訊號相比，就可以知道這個訊號的大小與相位，也就知道這訊號所代表的顏色。 Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.275G-0.321B=0.736(R-Y)-0.268(B-Y) Q=0.212R-0.523G+0.311B=0.478(R-Y)+0.413(B-Y) 學過線性代數的人都知道，上述的這些式子都是RGB的一種線性組合。假設所有的顏色都可以RGB表示的話(也就是說每種顏色可以說是多少紅色加上多少綠色再加上少藍色組合而成) ，我們可把RGB當成彩色座標系的座標軸，當然也可以用R-Y,B-Y當成彩色座標系的座標軸。但是這座標軸的選擇如果再配合上肉眼對不同顏色光之敏感度則可大幅減少傳播時所須知資訊量。 MPEG的信號 首先您要知道MPEG 1的解析度是很低的,只有352x240個pixels（NTSC，PAL與SECAM又不同了），一秒30個frame,要記住一開始的MPEG 1是在電腦螢幕上顯示的，而標準的VGA解析度是640x480。影像是彩色的，但已轉換成YUV空間表示，而其中的彩度（chrominance）信號U，V更降為176x120 pixels，而實際上由於人類對彩度沒有來的對亮度敏感，所以即使彩度解析度低到這種地步，我們也感覺不大出來。補充一點MPEG 1一定是non-interlace(非交錯)的影像。 MPEG 2則interlace與progressive皆可。 那為什麼要用352x240的解析度？ 因為這是從職業用的數位video器材標準CCIR-601來的。在NTSC的標準下，一秒有60個field，每個field有720x243的解析度，別忘了這是interlace的。至於在彩度部份則是360x243，也是有60個field，interlace。明顯的可以看出在水平方向亮度的解析度，只有720的一半。至於MPEG1的輸入型式叫SIF，是由CCIR-601，在水平方向減一半，時間部份也減一半，彩度的垂直部份再減一半。