用RGB三基色来表示彩色的确很直观,但是如果把这种方法用作图像传输则绝不是一个好的方法。第一个缺点是与黑白图像不兼容,把RGB 三基色转换为灰度的方法是:
灰度= R ( i , j )*0.3+ a ( i , j )*0.59+ B ( i , j )*0.11,这个转换过程显然是比较复杂的。
对于电视机而言,就意味着必须解码出RGB信号才有可能得到黑白图像,而黑白电视机没有解码功能,所以不能实现兼容。第二个缺点是占用太多带宽,用RGB 三基色表示图像,每个分量的带宽是均等的,都约等于亮度信号的带宽,所以对于每个分量,都要用较大的带宽来描述。第三个缺点是抗干扰能力差。由于G分量占有亮度值的 59%,所以当G受到干扰的时候,像素的亮度值会受到很大的影响,而人眼对亮度值的变化是十分敏感的,所以图像主观质量会明显下降。
YUV(亦称YCrCb)是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于PAL)。在现代彩色电视系统中,通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像,然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB,再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R-Y(即U)、B-Y(即V),最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码,用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV颜色模型表示。采用YUV颜色模型的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量,那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV颜色模型正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题,使黑白电视机也能接收彩色电视信号。
基于这些原因,在视频信号传输中采用的是YUV颜色合成的方法,其中“Y”表示明亮度(Luminance或Luma),也就是灰阶值;而“U”和“V” 表示的则是色度(Chrominance或Chroma),作用是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的,方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度,分别用Cr和CB来表示。其中,Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而CB反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。
下面来看看使用这种表示方法的优点:
第一个优点是与黑白图像兼容。假定一个像素是用YUV 表示的,只要忽略UV 分量,取出Y 分量,就可以得到像素的亮度值,从而把彩色图像转换为黑白图像。这样很容易实现彩色电视信号与黑白电视信号的兼容。
第二个优点是节省带宽。首先讲解大面积着色原理。实验发现,人眼对亮度信息是敏感的,主要通过亮度差别来分辨物体形状的细节,而对彩色信息是不敏感的,人眼区分不出物体颜色上的细小的变化,或者说人眼不容易觉察出来图像的色彩的细节部分的变化。因此,可以对亮度信号用较高的采样频率采样,而对色度信号用较低的采样频率采样(或者用较低的量化深度),比如几个相邻的像素的亮度值不同,但是却可以使用一个相同的色度值。这就是大面积着色原理。基于这个原理,在电视信号传输中,U或V信号的带宽远小于V信号的带宽,这样就节约了带宽。换个方式来说,比如在计算机中,用RGB方式描述一个像素需要R、G、B共 3 个字节。而用YUV方式描述,则对于每 2 个像素,Y用 2 个字节,U取相同的值,用一个字节,V取相同的值,用一个字节,平均每个像素 2 个字节。或者每个像素Y 用一个字节,U用半个字节,V用半个字节,共 2 个字节。
第三个优点是抗干扰能力强。由于亮度信号是单独表示的,所以如果色差信号受到干扰,不会影响到亮度,主观感觉噪声不会明显增加。
电视信号正是采用了YCbCr彩色系统进行传输,由于Y占用的带宽与Cb和Cr加起来所占用的相同,所以在表示图像时,对于各像素的亮度信息是最丰富的,而对于彩色信息则降低分辨率表示。我国采用的PAL制电视信号也是使用YCbCr彩色系统。
对于输出标准PAL制式信号的摄像头,它所产生的视频图像就是YCbCr的彩色图像,其Y通道的信号就是灰度图像,直接将它取出来就能得到与之对应的灰度图像。