提升影像訊號品質 HDMI1.3色空間舉足輕重

2007-09-27
若從單純或LOHAS生活型態的觀點來看,當今影音擴大機設計中最引人發笑之處有二,其一是裝置後端的連接端子過多,除了紅、黃、白AV端子外,還有聲音的數位輸入以及銅軸、光纖的輸入方式,且視訊的端子又有色差輸入、S端子加上HDMI。
資料來源:Buffalo
圖1 具有HDMI視訊介面之機上盒已廣泛用於數位家庭中

更令人納悶的是5.1ch、6.1ch、7.1ch多聲道的喇叭接線,僅能靠裝潢走暗線以遮掩線路繁雜所造成的不美觀。因此,若要在家中享受多聲道,不如直接去電影院聆賞。Yamaha、Marantz、Nakamichi等公司就從技術面下手,採用單一揚聲器(內置有多個喇叭單體),善用人類聽覺的特性,以營造出虛擬式的環繞效果。家庭劇院的營造即徹底簡化。此實踐從顧客角度思考功能需求(Think For Customer)的一項好例。

資料來源:東芝
圖2 標榜影音功能之筆記型電腦也導入HDMI

站在使用者的立場,其實並不希望出現新視訊介面技術增加使用負擔,此在數位時代的例子不少,如現階段讀卡機(Card Reader)的多種輸入即是一例,往後會不會再出現新規格的儲存卡,尚未能得知。

截至目前,HDMI的規格在經過多次蛻變(HDMI 1.0/1.1/1.2/1.2a/1.3/1.3a等)後,已在家電領域中站穩地位(圖1),(其中的一大因素包括該視訊介面有內容防拷貝保護機制,因此受到美國八大的垂愛),也從數位家電反攻個人電腦的疆土,如高階的筆記型電腦(圖2)、液晶顯示器(圖3)、影像捕捉卡(圖4)等。


圖3 高階液晶顯示器開始導入HDMI,卻並非液晶電視才獨有。



圖4 HDMI藉著採用PCI Express ×1的視訊捕捉卡,反攻PC市場。

DVI雖有其存在的優勢,但體積稍大,而若市場中再冒出其他的新規格,只是圖利特定廠商,對消費者其實是不利的,因此市場希望HDMI能一統天下,更希望HDMI的規格制定機構能比照USB介面的發展,將權益金徹底解放,使全球廠商站在同一基準上,相互競爭。  

HDMI1.3各項色空間特性迥異  

雖然sRGB、AdobeRGB、YCC是隨處可見的色空間,xvYCC為HDMI1.3新增的規格(表1)。站在提升「影像處理」功夫的觀點來說,除了須對於色空間的內容有所了解外,在色空間的多種類別也有理解的必要性。

表1 HDMI 1.3的色彩表現力較前一代版本更勝一籌

基本上,色空間依據應用差異,可分成表示影像訊號顏色的色空間、表示物體反射顏色之色空間、表示人類知覺顏色之色空間三大類。而各類別又可再細分成多種的色空間標準。各個色空間有其特徵,如原色點/變換方式、基準白色、非線形變換等參數。  

以下即是各式各樣代表性色空間的文字整理。  

表示影像訊號顏色的色空間細分九項標準  

此類色空間又可分為「原色形式」、「亮度/色差形式」兩類別,各個都存有其多樣式的色空間。  

「原色形式」包含有NTSC RGB(1953)、SMPTE 170M RGB、ITU-R BT.709 RGB、IEC 61966-2-1(sRGB)、IEC 61966-2-2(scRGB)、AdobeRGB等。

NTSC RGB(1953)
  於1953年針對類比放送所制定的色訊號規格,以陰極射線管(CRT)為基礎之RGB色域(比一般CRT稍廣)。基準白色為CIE C光源。非線型變換Gamma2.2。
SMPTE 170M RGB
  NTSC方式放送用色訊號規格,接近實際CRT的原色點,比NTSC RGB(1953)更窄,基準白色為CIE D65光源,非線型變換Gamma2.2。
ITU-R BT.709RGB
  CRT顯示的RGB比SMPTE稍廣,也是HDTV放送訊號規格之一,定義被照物、照相機、顯示器間的關係。基準白色為CIE D65光源。非線型變換Gamma 2.2。
IIEC 61966-2-1(sRGB)
  就原色點/變換方式而言,IEV61966-2-1(sRGB)(圖5)原色點/變化方式與BT.709RGB相同,為電腦用顯示器之色空間規格。對於觀察環境、標準觀察者有所定義。基準白色為CIE D65光源,非線型變換Gamma2.2。
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圖5 sRGB之色空間(黑框部分),白框為CMY
IEC 61966-2-2(scRGB)
  就原色點/變換方式來說,與sRGB相同,僅是RGB的容許範圍從-0.5~7.5。乃是應用於相機的色彩輸入表現,比人類的知覺色域稍廣。基準白色為CIE D65光源。
AdobeRGB
  AdobeRGB(圖6)比sRGB有寬廣的色空間,主要應用於印刷用途的影像表現。市面上不少的數位單眼相機已有支援AdobeRGB的能力,基準白色為CIE D65光源,非線型變換Gamma2.2。
亮度/色差形式則是包含有sYCC、ITU-R BT.709 YCbCr、xvYCC等。
圖6 Adobe RGB色域空間比sRGB和CMYK要來得更廣
sYCC
  從sRGB向「亮度/色差形式」的變換,也就是為擴張sRGB色域的「亮度/色差形式」表現,非線型變換當然就與sRGB相同,基準白色為CIE D65光源。
ITU-R BT.709 YCbCr
  從BT.701 RGB向「亮度/色差形式」的變換,與BT.601(SDTV)有不同的變換方式;是HDTV放送訊號規格之一,定義被照物、照相機、顯示器之間的關係,基準白色為CIE D65光源,非線型變換與ITU-R BT.709 RGB相同。
xvYCC
  從ITU-R BT.709 RGB向「亮度/色差形式」的變換,變換方式分成BT.601以及BT.709兩類。然而,RGB可以使用負值,針對視訊,定義廣色域的亮度、色差形式,基準白色為CIE D65光源。

表示物體反射顏色之色空間的三項特徵  

此類色空間也一樣可以依據「原色形式」、「亮度/色差形式」來區分各種色空間。「原色形式」包含有CIE RGB與CIE XYZ;「亮度/色差形式」則僅有CIELAB。

CIE RGB
  原色點定義700奈米、546.1奈米、435.8奈米的單色光。人類眼睛對於單色光的反應為基礎所做成心理、物理的表色系,線形變換。
CIE XYZ
  從CIE RGB座標轉換求出的現實世界不存在,也是採人類眼睛的反應為基礎所做成的。表色系全部是正值,色空間內的距離不對應知覺的色差。線形變換。
CIELAB
  從CIE XYZ依據人類特性進行非線性變換之物,能夠近似對應色空間內距離的知覺。此乃人類眼睛特性所決定的色空間。CIELAB為「均等色空間(Uniform Color Space)」的代表例之一。使用CIELAB空間內的表色系,即稱為「CIELAB表色系」。基準白色是照明光與被拍照體所決定的白點。
若仔細端看CIELAB色空間的L*、a*、b*三軸向(圖7),L代表亮度,a*、b*則分別表示-a、+a與-b、+b的紅綠和藍黃方向色調。
圖7 CIELAB色空間的L*、a*、b*三個軸向。
眾所皆知,色彩的構成三要素,分別是色相(Hue)、彩度或飽和度(Saturation)與亮度(Lightness/Luminance/Intensity)。離L軸距離越遠的時候,表示更鮮豔的顏色。  

因此不難得知,離L軸的距離,表示彩度,以C*來表示;L軸周圍的回轉,表示色相(h),所以,也稱為「CIE L*C*h表色系」。  

以色相、彩度或飽和度與亮度三個成分組成之色空間,可稱為HLS色空間,稱HSL、HSI色空間亦可。微軟視窗所含的繪圖軟體、Paint Shop Pro等,都是HLS色空間的應用。  

圖8 HSV色空間

HLS色空間與HSV色空間相似(圖8)。蘋果的Max OS X、Photoshop、Illustrator等則是雙方支援HLS與HVS色空間。  

而色相乃是利用0~360度範圍的角度來表示色味。0度為紅色,相反方向180度,則呈現其反對色,也就是藍綠色。亮度於0%為黑色,100%為白色。其中間50%即所謂的「純色」。  

表示人類知覺顏色之色空間具三項特性  

其各個色空間標準與其特徵如下。

曼色爾(Munsell)色空間
如圖9所示,色相、彩度與亮度形式。係以「色票集」為基礎做成的,並無原色概念。以顏色的知覺為基礎之心理表色系,對於色空間內距離的知覺色差有所對應;以視覺特性為基礎的非線型變換,「色票之白」為基準白色。
自然色彩系統(Natural Color System, NCS)
白、黑、紅、綠、藍、黃比例的基本色系,也是以顏色的知覺為基礎之心理表色系,以「知覺的白」為基準白色。
圖9 曼塞爾(Munsell)色系

總而言之,HDMI 1.3版帶來的話題之一,即是廣色域的xvYCC色空間,其為YCC色空間的一種,含有RGB的負值部分。  

YCC色空間的三軸,分別是Y、R-Y、B-Y所做成的立方體,該立方體就包含有RGB的負值部分。(Y=0.299*R+0.587*G+ 0.114*B)。  

而YCC色空間的影像訊號,為從RGB空間,進行白平衡的處理以及階調的變換而求得的。

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