以 CIE 色彩空間色度圖為基礎的視訊監看

更新日期:2020年12月28日

將視訊從一個視訊標準傳輸到另一個視訊標準,或從一個顯示系統傳輸到另一個顯示系統,通常會引發色彩的些微變化。

這有兩個主要的因素,一個是不同系統使用不同的顯示原色(Display Primaries):選擇不同的顯示原色,大大的影響可顯示的色彩範圍。其次是當視訊從一個標準傳輸到另一個標準時,對於保持RGB或YUV值位於色域中的要求。由轉換所產生的任何合法值,必須被帶回至色域中,通常以最接近的合法值取代。如此將會導致某些色彩開始去飽和(De-Saturated),並會喪失一些細部,尤其是在影像的暗部。


對於某些廣播電視素材,色彩改變的結果並不是特別的重要,但對先進的數位影院而言,這樣的問題就比較嚴重了。如果視訊想要與膠捲的發行有效的競爭,它必須能傳送好的色彩深度(Depth of Color),並盡可能在跨許多不同顯示系統時,仍能維持一定的標準。無可避免之顯示系統的限制,意味著必須做一些妥協,因此也必須讓這些妥協達到最小化。


在傳統視訊測試及測量系統監看色域的方法,對於辨識RGB及YUV值,落在合法範圍之外的位置非常有用,但對於如何影響色彩深度,卻無法清楚的交代。最新的OTM及OTR資料分析系統,OmniTek推出了CIE Colour Chart(色度圖)顯示,提供了每一個畫格色彩之清晰且即時(Real-Time)的追蹤。此追蹤可以更進一步與所支援色域的邊界重疊,透過視訊所要轉成的標準或所要顯示的監視器,位於邊界外的色彩是將會改變的色彩


本白皮書,將介紹此新顯示背後的技術,並說明其優點。


介紹CIE1931色彩空間色度圖

CIE色彩空間色度圖(Colour Chart)顯示了所有人類眼睛可以看到色彩(因此,任何處理視訊色彩的人,都不需要再擔心)。

圖一:CIE1931色彩空間色度圖

圖一:CIE色彩空間色度圖

色度圖是根據在XYZ色彩空間中的色彩顯示,此色彩空間是由尋求明確表達色彩的研究者所發明設計。為此目的,他們想要符合下列條件的色彩空間:

⭕ 涵蓋人類眼睛可以看到的所有色彩範圍。

⭕ 必須且足以說明任何色彩的三個獨立且為正數的變數。

⭕ 僅有來源的三色激值(Tri-Stimulus Value)在表達任何色彩相關,而不是它們的光譜成分(Spectral Composition)。

⭕ 如果一或多個來源逐漸的改變,將導致三色激值也同時逐漸的改變。

明顯的,要符合這三個條件的選擇是:一個根據個別對於人類眼睛紅、綠、及藍色視錐反應的色彩空間,因此產生了XYZ色彩空間,在其中:

(您可以參閱另一篇“XYZ色彩空間”白皮書中,關於此色彩空間的說明。)


建立了X、Y及Z作為參數,問題就變成如何描繪出對應於人類眼睛所看到之色彩的XYZ值,及/或對應於任何視訊RGB/YCbCr 訊號的XYZ值。


幸運的是,任何3D立體色彩空間,皆可根據亮度為一度空間、而剩下的兩度空間定義色彩的“色度(Chromaticity)”,輕鬆的轉換成對應的空間,而色度是色彩中這裡唯一感興趣的部分。


亮度乃是相加,並且是由X + Y + Z而來。將X及Y除以亮度,得到xy值,此二者代表色度(在描繪時不需要包含z因子,因為z = 1 – (x + y))。所得的xy結果,描繪出的淺顯易懂圖表,就是CIE色度圖

CIE色彩空間色度圖的主要功能

CIE色彩空間色度圖有一些重要的性質。

人眼可以看到的色彩,在色度圖中佔據了形狀約略呈馬蹄鐵的區域 – 它是傳統彩色與對應不同的xy值的色彩一致。此區域代表人類視力的色域,標準化的亮度(顯示/印表技術的限制,當然意味著任何影像的CIE色度圖所演示的色彩,從沒有準確的反應真實對應於這些xy值的色彩,但卻可以很好的給予一般的概觀)。


位於上色區域之外的區域,代表人類眼睛所無法看之色彩的xy值,也就是不合法的X、Y、Z組合。同時需要注意的是,所有顯示的xy值都為正數,並對應正數的X、Y、及Z值。


人類色域的曲線邊緣稱為光譜軌跡(Spectral Locus),對應於單色光(Monochromatic Light)。圖表中有彩虹色彩的完全飽和版本,位於底部的直線邊,稱為紫色線(Line Of Purples),其中沒有任何一個色彩在彩虹中能找到相對應的色彩。


在這些邊界裡面的部分,色彩變得逐步減少飽和,最終在“中央”的位置變成白色。


任何的色彩來源,都可用單一個點在上色的人類色域區中表示。在您有兩個色彩來源時,在兩點之間的直線代表其光線來源,表示透過將來自這兩個來源的光相混,而形成代表其所有的色彩;當您有三個光源時,透過將來自這三個光源的光相混,而形成色彩包含在一三角形內,此三角形是透過將代表三個光源的點連接起而形成。任何從真實來源所形成的三角形(每一個落在人眼色域之內),將必然比平凸馬蹄形的人眼色域小,也就是說,沒有哪一組三個真實的來源,可以涵蓋整個人眼的色域。


OmniTek採用CIE色度圖

OmniTek所提供的基本CIE色彩空間色度圖如圖二所示,透過安裝VIDEO_XR_DCI選購軟體,可以在OTM及OTR系統中,加入這樣的顯示。

在背景顯示的是標準CIE色彩圖示xy的描繪(在有色區域之外所顯示的色彩,當然純粹只是表示在顯示圖表的監視器上,無法產生任何在其RGB三角形外的色彩)。


在其上也許會重疊一或兩個色域三角形,及與目前正在分析之視訊影格的個別像素關連的xy值的差值(Interpolated)描繪。其中的一個三角形將自動設定,以反應視訊來源的原色,另一個三角形則由使用者自行設定,但通常會設定成反應正在轉換的輸入視訊、或用來顯示視訊之特定監視器所使用的色彩原色的標準(您也可以從功能表中,選擇與不同視訊標準關連的三角形)。

圖二:OmniTek的CIE色彩空間色度圖的顯示範例

圖二:OmniTek的CIE色彩空間色度圖的顯示範例


檢視位於這些三角形旁的差值描繪,可精確的鑑別已經過分析之視訊中的色彩,該色彩將透過改變成不同的原色而受影響(那些座落於三角形內、與來源原色關連的,而座落於三角形外、與用來做視訊轉換系統關連的)。這些座落於三角形外的色彩,它們與目標三角形的距離,也提供了在轉換時這些色彩將去飽和的程度。


這些設備提供使用者下列功能:

⭕ 使用者可為XYZ及RGB輸入,選擇色彩的原色(YCbCr輸入所使用的色彩的原色,將根據視訊的標準自動選擇)。

⭕ 限制顯示的選項,以調整那些明度落於特定Luma層級的像素(這就是所知的“Luma Qualification – Luma限定”)。

⭕ 限制顯示在某特定線上的像素、或在某特定有興趣之區域的選項。

色度圖優於向量圖顯示的主要優點之一是,其Luma層級為獨立的。


在視訊標準之間轉換的色彩問題

從RGB顯示轉換所產生的結果,完全根據使用什麼樣的紅、綠、及藍原色。


您也許不知道,PAL、NTSC、及HD 的傳送,各自定義了一組RGB原色,且各自有些許的不同(請參考表格一),而數位影院聯盟(DCI)則使用另一組原色。

表格一:顯示不同的視訊標準所定義的原色

表格一:顯示不同的視訊標準所定義的原色


PAL、NTSC、及HD標準所使用的RGB原色,是以實用基礎定義,且都非常接近在CRT電視中由紅、綠、及藍螢光粉(Phosphors)所發射的色彩光源。因此,從這些標準所產生訊號,可以用來直接驅動CRT,並將正確的反應攝影機所看到的色彩(假設所有的像素值都落於色域中)。


三色色彩空間的功能之一,是任何在一個色彩空間的三色激值,透過套用線性轉換(Tri-Stimulus Value)都可轉換成在另一個色彩空間相對應的三色激值(亦即,僅涉及乘及加)。因此,套用在原始色彩原色的RGB值,可以透過線性轉換,轉換成相對等的目標RGB值,此過程如以數學式表示,則如下列所示:

數學式中,涉及決定要套用在特定案例的3 x 3矩陣非常複雜,但在SMPTE RP 177已經有現成的案例,並且也提供範例(附在本白皮書的附錄中)。


然而,這些轉換的問題是,不同RGB系統提供不同色彩的範圍,這些不同意味著雖然在某一RGB系統是完美有效的色彩,在其他RGB系統中,也許卻會落在有效的色域之外。這最常見於為傳輸而進行影像轉換時:從傳統膠捲轉換到數位影院,及從數位影院(DCI | P3)轉換到SD或HD視訊。膠捲比數位影院支援更寬廣的色域、而數位影院又比SD或HD支援更寬廣的色域。


當紅、綠、或藍訊號在某特定像素超出色域時,要採取最簡單的動作是,強迫訊號為最小、或最大允許值(視何者為適)。此動作的效果為在整個影像將色彩朝向白色移動、將色彩去飽和,並逐漸的降低色彩的深度,這會喪失一些細節,尤其是在影像的暗部。


同時也要注意,LCD顯示的作業是,阻擋不想要的色彩,且無可避免的有部分被阻擋的光源仍穿透,將所產生的影像去飽和,並進一步縮小所支援之色彩範圍的三角形外框 – 透過Hewlett- Packard的DreamColor LP2480zx Professional LCD Display專業級顯示器,經由三色彩的LED背光及重新定位(Remapping)色彩空間的技術,抵消了這樣的效果。


這樣的改變,可以明顯的改變視訊序列的外觀及感覺。

抵消這些效果

這些改變後變差的效果,可在後製作時,經由對轉換的影像進行非常技巧的調光進行彌補。


雖然調光師大多用他們的雙眼進行很多的工作,但他們也從視訊測試及測量設備,使用各式各樣善於分析的顯示。

一般的視訊測試及測量系統,將提供波形圖、色域圖、及向量圖,然而,所提供的這些資訊是有限的。例如:在波形圖及色域圖中所顯示的資訊,是綜合了整個影格訊號的結果,而不是提供一個個圖素的資料,而波形圖中的色彩資訊,需要花很大的功夫去辨識,且常受亮度層級的影響很大。


為了達到最佳的效果,能夠從每個像素的層級,明瞭所使用的色彩做了什麼樣的妥協是很重要的。


在OmniTek OTM及OTR系統中的CIE色度圖,以非常準確的方式,提供了與任何特定色彩原色關連的色彩辨識。


特別重要的是,顯示中重疊的色域三角形,每一個三角形都是由與特定視訊標準關連之代表三原色的點形成,其中包含了該視訊標準所支援的所有色彩。也許會顯示兩個三角形 – 一個黃色及一個白色三角形。黃色三角形標示出,在來源視訊格式所支援的色彩範圍;白色三角形則標示出,在使用者所選取之目標視訊格式所支援的色彩範圍。

圖三:CIE色度圖顯示位於數位影院色域中的顏色,如何落於HD視訊傳輸的色域之外

圖三:CIE色度圖顯示位於數位影院色域(DCI)中的色彩,如何落於HD視訊傳輸的色域之外


顯示中的每一個亮點,代表影格中每一個像素的色彩,目前正在進行分析。


色度圖直接顯示在色彩轉換到所選取之目標視訊格式時,如何的改變,您只要觀察那些落在兩個三角形之間的亮點即可,因為任何在CIE色度圖的像素,其色彩落於黃色三角形之內、但在白色三角形之外,都將修改以便與新的標準套片(Conform)。


這些修改將不可避免的導致影像會有些許的去飽和,在從原來色彩朝向最終目標色彩移動時,永遠都是朝色度圖的中心移動,因此是朝白色移動。

附錄:在幾組RGB原色之間轉換

SMPTE RP(建議的作法)177包含下列的描述,關於如何推演使用不同RGB色彩原色顯示色彩之間進行轉換的矩陣。

4.1 輸入資料

輸入資料是由來源系統的標準化後原色(Normalized Primary)矩陣(NPMS),及目標系統(NPMD)組成。理想狀況下,這些矩陣應該直接從3位數主色度、及4位數的參考白色而產生,因此具有10位數的精確度。然而,標準化的參考原色矩陣,也許使用了四捨五入後4位數,因此必須具備必定導致精確度較低之轉換的認知。


4.2 一般的過程

4.2.1 提供了標準化的來源(NPMS)及目標(NPMD)系統的原色矩陣,下列的等式為CIE三色激值與來源及目標系統的線性RGB訊號的關係:

反轉的關係,從XYZ預測RGB,也可以寫成這樣:

相同的,NPM矩陣中的(-1)標記表示為逆矩陣。


4.2.2 目標是決定一個可以將來源系統的RGB訊號,為目標系統轉換成適當的訊號的矩陣。從來源開始,使用其NPM從RGB訊號值預測XYZ值,如下面等式的左側所示。然後,從XYZ值寫預測目標RGB訊號的等式,如下面所示:

因為來源及目標系統的XYZ值應該相同,位於右邊等式的右側的XYZ向量,可用左邊等式的右側取代:

4.2.3 想要的轉換矩陣TRA,由NPMD 的逆轉(Inverse)及NPMS產生:



附錄 C(資訊提供)

原色轉換矩陣的推演範例

C.1 給予一個來源NPM:

加入一個目標NPM:


C.2 在四捨五入成四位數之前的轉換矩陣TRA:


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