曾經是明祥傳播的小吳 (小吳老師) 09491512

。影像格式 為什麼不用RGB的小故事
。影像採用 YUV 格式，為什麼不用 RGB 呢?

談到影像訊號就必須從黑白電視那個年代說起，早在 1949年 ，彩色電視廣播仍在實驗階段，那時候有兩個強有力的競爭者 RCA（美國無線電公司 Radio Corporation of America）提出的 YUV 成像顯示技術， 與 CBS（哥倫比亞廣播公司 Columbia Broadcasting System）提出的 RGB 成影顯示技術， 兩者在競爭美國彩色電視機的標準，最後，NTSC 協會採用了 RCA 的標準 (441條掃描線)並予以修改 ( 525 條掃描線)，在 1953 年正式頒布了 NTSC 的彩色電視標準。歐洲的 PAL、SECAM 協會也相繼都採用 YUV 成像顯示技術。

RCA公司 所提出的 YUV 成像顯示技術，為什麼會勝出，並沿用至今呢？ CBS 公司 所提出的 RGB 成影顯示技術，為什麼又會排除在外呢？

其中一個主要的關鍵技術則是因為 CBS 彩色電視系統採用 RGB 技術來成像，和原有的黑白單色電視系統並不相容。如果當時彩色電視系統成像技術採用 RGB的話，那當下所有的【黑白單色電視機】全部要丟棄，重新購買【彩色電視機】才能繼續收視電視節目。

而 RCA 彩色電視系統採用 了當時令人頗為驚豔的全新技術，也就是在原有黑白單色電視有限的頻寬內達到同時傳送【黑白與彩色影像】的目的，那就是使用 YUV 技術來成像，所以今日不僅是 NTSC 電視系統的相關產品：錄影機、影碟機、攝錄機、電視螢幕……都可以和黑白單色電視完全相容，就連PAL、SECAM 也都完全採用 YUV 顯示技術，這些都歸功YUV技術的發明。在傳送彩色電視信號時，又能讓黑白電視正常收視，因此電視信號除了傳送原來的黑白【輝度信號 Y】 以外，並載送彩色【 B-Y 及 R-Y 彩度信號】(讀音為 R 減 Y )，而不是傳送RGB三原色信號。

● YUV 小常識
 YUV 是指【亮度參數】和【色度參數】分開表示的傳輸與計算格式，而這樣分開的好處，不但可以避免相互干擾，還可以降低色度的取樣率，大大降低傳輸的負擔 (從4:4:4 → 4:2:2)，而不會對影像品質影響太大。

人眼對色度的敏感程度要低於對亮度的敏感程度。
RGB 色彩值： R = 0~255、G = 0~255、B = 0~255
YUV 色階值： Y = 16~235、U = 16~235、V = 16~235

YUV，分為三個分量，“ Y ”表示明亮度（Luminance 或 Luma），也就是輝度值；而“ U ”和“ V ” 表示的則是色度（Chrominance 或 Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用於指定像素的顏色。 與我們熟知的 RGB 類似，YUV 也是一種顏色常見編碼方法之一，主要用於【電視系統】以及【類比影像】領域，它將亮度信息（Y）與色彩信息（UV）分離，沒有 UV 信息一樣可以顯示完整的影像，只不過是黑白的，這樣的設計剛好解決了彩色電視機與黑白電視的兼容問題。 並且，YUV 不像 RGB 那樣要求三個獨立的影像信號同時傳輸，所以用 YUV 方式傳送幾乎只佔用約 RGB 頻寬的一半，而畫質卻幾乎保留九成以上。

公式：Y 實際是由 30％ 的紅色加上 59％ 的綠色再加上 11％ 的藍色所組合而成的，由於人類視覺對於 紅、綠、藍三原色的感受不同，而這個比例組合而成的輝度 Y 信號，恰好可以實現黑白影像的真實灰階感；【Y = R 0.3 + G 0.59 + B 0.11】，【R - Y = R 0.7 - G 0.59 - B 0.11】，【B - Y = R 0.3 - G 0.59 - B 0.89】

● 左上圖使用 0~255 的亮度色階 (通常用於 RGB 成像，或 YUV 拍攝母片成像，或 YUV 剪輯母片成像)。
● 右上圖使用 16~235 的亮度色階 (通常用於 YUV 成像，或 播映母片成像)。


SD ( Standard Definition ) 標準解析度電視，在分量信號 ( Component ) 由類比 ( Analog ) 轉換成數位 ( Digital ) 的信號 ( 或稱 ITU-R BT.601 信號 ) 的過程中之取樣 ( Sampling ) 技術，分別使用 13.5MHz 的取樣頻率，給 YUV，這樣稱爲 4：4：4 取樣 ( Y = 13.5 MHz，U = 13.5 MHz，V = 13.5 MHz )，如此資料量則太大 (YUV=RGB)，未能解決當時空中無線傳輸之實際需求；由於當時的 CRT 電視螢幕 ( Cathode Ray Tube) 對於輝度的表現特性，因此 YUV 設計了：輝度 Y = 16~235、U = 16~235、V = 16~235 的明暗與色階值，即可相當與 RGB 的色彩 R = 0~255、G = 0~255、B = 0~255 的明暗與色階值，所以 YUV整體資料量降低了許多，但是還不足已完全降低至解決當時空中無線傳輸之最小值，繼而調整了取樣頻率，從原本 4：4：4 取樣 ( Y = 13.5 MHz，U = 13.5 MHz，V = 13.5 MHz )，降至4：2：2 取樣 ( Y = 13.5 MHz，U = 6.75 MHz，V = 6.75 MHz )，終於解決當時空中無線傳輸之實際需求，也統一訂定廣播標準為 4：2：2 取樣率。
　

CCIR 國際無線電諮詢委員會於 1982年 提出了 CCIR 601 號建議，確定以亮度分量 訊號 Y 和兩個色差分量訊號 R - Y ( 讀音 R 減 Y )、B - Y ( 讀音 B減 Y ) 為基礎進行編碼，作為 ( Standard Definition ) 電視製播數位編碼的國際標準。601 號建議：

1.亮度取樣頻率為 525/60 和 625/50 三大電視系統制式頻率倍數為 2.25 MHz 的6倍，即 Y、R - Y、B - Y 三分量的取樣頻率分別為 13.5 MHz、6.75 MHz、6.75 MHz。

2.取樣後採用線性量化，每個樣點的量化比特數用來電視製播為 10bit，用來傳輸為 8bit。

3.建議兩種制式有效行內的取樣點數亮度信號取 720 個，兩個色差信號各取 360 個，這樣就統一了數位分量編碼標準，使三種不同的電視系統 (NTSC、PAL、SECAM) 便於轉換和統一。所以有效行 Y、R - Y、B - Y 三分量樣點之間的比例為 4：2：2（720：360：360) 。

Component 分量訊號：YUV、Y, R-Y, B-Y、Y, Cb, Cr、Y, Pb, Pr 等多種標識方式，雖然標識方法和端子接頭外形有所不同，但都是指分量信號 ( 也稱色差分量信號)。處理過程中統一忽略綠色差 G - Y ( 讀音 G 減 Y )，由 Y, R-Y, B-Y 的數值就能夠得到 G 的值 (第四個等式，並不是必要的)。分量信號是目前各種類比介面中畫質最好的一種。

坊間對 Y，Cb，Cr 及Y，Pb，Pr 有很多 種說法，其中筆者認為有一種比較可信的說法是指：
Y, Cb, Cr 的 C 最初是表示 Chroma 色度訊號，Y = 亮度 Luma，Cb = 色度訊號中的 Blue 藍色，Cr = 色度訊號中的 Red 紅色。後來 HD 解析度的出現，為了區隔支援 SD 與 HD 訊號端子的不同，就改標示為  Y，Pb，Pr 支援 HD 解析度,，並向下相容 SD。

Y，Cb，Cr的 C 表示 Consumer 消費等級，它可支援 SD Component 分量信號 (720x486 Pixel)；
Y，Pb，Pr 的P表示 Professional 專業等級，它最高可支援 HD Component 分量信號 ( 1920x1080 Pixel) 並相容 SD。

※ Y:U:V 取樣值之種類：

● 4：1：0 = 定位在：家用等級。
主要使用在 特殊的編解碼器系統。這種格式雖然存在，但並沒有得到廣泛的應用，因為它的清晰度比傳統的VHS錄像帶還要差。

● 4：1：1 = 定位在：消費等級 或 發佈等級。
主要使用在 NTSC DV 系統。常見的應用應軟硬體格式：DVCPRO、NTSC DV、DVCAM

每個色差分量 UV 的色度取樣值都是亮度 Y 的四分之一，所以在成像過程中，UV 的每個像素資料量都只有四分之一（每個分量通常 8 或 10 比特 Bit），經過 8 位元量化 (Quantization) 之後，Y 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量，UV 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量四分之一取樣值。
              
● 4：2：0 = 定位在：消費等級 或 發佈等級。
主要使用在 PAL DV 系統。也使用在 HD 與 HDV 與 DVD系統使用。使用這種方法的品質很接近於 4：1：1 。

常見的應用應軟硬體格式：MPEG，包括如DVD等MPEG-2成品（有些MPEG-4 profile容許更高取樣值） 、PAL DV 及 DVCAM、HDV、AVCHD、JPEG/JFIF、H.261、MJPEG、VC-1

每個色差分量 UV 的色度取樣值都是亮度 Y 的一半，所以在成像過程中，UV 的每個像素資料量都只有一半（每個分量通常 8 或 10 比特 Bit），經過8位元量 化 (Quantization) 之後，Y 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量，UV 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量一半取樣值，但 UV 並不是 同時流取樣，而是採取輪流取樣。

(例如：SD 第一次取樣 → Y=13.5MHz，U=6.75MHz，V=不取樣) ，第二次取樣 → Y=13.5MHz，U=不取樣，V=6.75MHz，UV 採取輪流取樣。               

● 4：2：2 = 主要使用在 廣播等級 與 電視播出等級。

常見的應用應軟硬體格式：Digital Betacam、DVCPRO50、DVCPRO HD、Digital-S、CCIR 601 / 串列 數位介面 SDI  / D1、ProRes 422、XDCAM HD422　

每個色差分量 UV 的色度取樣值都是亮度 Y 的一半，所以在成像過程中，UV 的每個像素資料量都只有一半（每個分量通常 8 或 10 比特 Bit），經過 8 位元量 化 (Quantization) 之後，Y 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量，UV 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量一半取樣值。

● 4：4：4 YUV = 主要使用在 廣播等級 與 廣告播出等級。
這是最好的色度取樣值(實際上它已經完整的記載了原先的色度原始資料)，作為一種中間格式，常常被用在高階的底片掃描儀和影片後期廣告處理上。

每個色差分量 YUV 的取樣值都是一樣（每個分量通常 8 或 10 比特 Bit），經過 8 位元量化 (Quantization) 之後，YUV 的每個像素位元組是未經壓縮的原始資料量。例如：HDCAM SR 等格式必須以雙通道 (Dual Channel) HD-SDI 記錄 4：4：4 YUV 訊號。這個頻寬需要兩條 SDI 同時連結：A 連結負載著 4：2：2 訊號，B 連結負載著 0：2：2 訊號，兩者結合成一條 4：4：4 訊號。

● 4：4：4 RGB == 主要使用在 廣播等級 與 廣告播出等級。
值得注意的是 4：4：4 也應用在 RGB 色度空間中，全部沒有作任何色度抽樣。常見的應用應軟硬體格式：HDCAM SR 必須以雙通道 (Dual Channel) HD-SDI 記錄 4：4：4 RGB 訊號。

小吳老師 整理