Рек. 709

Стандарт кодирования изображения HDTV и характеристики сигнала

Рек. 709 , также известный как Rec.709 , BT.709 и ITU 709 , — это стандарт, разработанный ITU-R для кодирования изображений и характеристик сигнала телевидения высокой четкости .

Самая последняя версия — BT.709-6, выпущенная в 2015 году. BT.709-6 определяет характеристики изображения как соотношение сторон ( широкоэкранное ) 16:9, 1080 активных строк на изображение, 1920 выборок на строку и квадрат. соотношение сторон пикселей.

Первая версия стандарта была одобрена CCIR как Rec.709 в 1990 году (также существовала CCIR Rec. XA/11 MOD F ^[4] в 1989 году) с заявленной целью создания всемирного стандарта HDTV. ITU заменил CCIR в 1992 году и впоследствии выпустил BT.709-1 в ноябре 1993 года. ^[2] Эти ранние версии все еще оставляли много вопросов без ответов, и отсутствие консенсуса в отношении всемирного стандарта HDTV было очевидным. Настолько, что некоторые ранние системы HDTV, такие как 1035i30 и 1152i25 , все еще были частью стандарта еще в 2002 году в BT.709-5. ^[5]

Технические детали

Стандарт находится в свободном доступе на веб-сайте МСЭ, и этот документ следует использовать в качестве авторитетного справочного материала. Основное изложено ниже.

Определение изображения

Рекомендация МСЭ-R BT.709-6 определяет общий формат изображения (CIF), в котором характеристики изображения не зависят от частоты кадров. Размер изображения составляет 1920x1080 пикселей, общее количество пикселей — 2 073 600. ^[6]

Предыдущие версии BT.709 включали устаревшие системы, такие как системы HDTV 1035i30 и 1152i25. Сейчас они устарели и заменены системой, определенной в ITU BT.709-6 2015 года.

Частота кадров

BT.709 предлагает различные частоты кадров и схемы сканирования, что, наряду с разделением размера изображения и частоты кадров, обеспечило BT.709 гибкость, позволяющую стать мировым стандартом для HDTV. Это позволяет производителям создавать единый телевизор или дисплей для всех рынков по всему миру.

BT.709-6 определяет следующие частоты кадров, где P указывает на кадр с прогрессивной разверткой , PsF указывает на кадры с прогрессивной сегментацией , а I указывает на чересстрочную развертку :

24/П, 24/ПСФ, 23,976/П, 23,976/ПСФ

соответствовать частоте кадров, используемой в театральных фильмах. Дробные скорости включены для совместимости с « понижающими » скоростями, используемыми в NTSC .

50/П, 25/П, 25/ПсФ, 50/И (25 кадров в секунду)

регионы, в которых раньше использовались системы с частотой 50 Гц, такие как PAL или SECAM . Дробных скоростей нет, поскольку в PAL и SECAM не было проблемы с понижением уровня NTSC.

60/P, 59,94/P, 30/P, 30/PsF, 29,97/P, 29,97/PsF, 60/I (30 кадров в секунду), 59,94/I (29,97 кадров в секунду)

регионы, в которых раньше использовались системы 60 Гц, такие как NTSC. И здесь дробные скорости предназначены для совместимости с устаревшими скоростями понижения NTSC.

Захват, кодирование и распространение изображений

Согласно BT.709, камеры могут снимать как в прогрессивной, так и в чересстрочной форме. Видео, снятое в прогрессивном формате, можно записывать, транслировать или передавать в потоковом режиме как прогрессивное или как сегментированный кадр с прогрессивной разверткой (PsF). Видео, снятое в чересстрочном режиме, должно распространяться в чересстрочном режиме, если при постобработке не применяется процесс деинтерлейсинга.

В случаях, когда захваченное изображение с прогрессивной разверткой распространяется в режиме сегментированных кадров, частота сегмента/поля должна быть в два раза больше частоты кадров. Таким образом, 30/PsF имеет ту же частоту поля, что и 60/I.

Первичные цветности

Цветовой куб BT.709 RGB (изображение, закодированное с помощью профиля ICC)

Обратите внимание, что красный, синий и y _G такие же, как основные цвета EBU Tech 3213 (PAL), тогда как x _{G находится посередине между x G} EBU Tech 3213 и x _G SMPTE C (PAL и NTSC — это два типа BT.601-). 6 ). В цветовом пространстве CIE 1931 Rec. Цветовое пространство 709 (и производное цветовое пространство sRGB ) практически идентично Rec. 601 и охватывает 35,9%. ^[8] Он также охватывает 33,24% CIE 1976 u'v' ^{[9] [10]} и 33,5% CIE 1931 xy. ^[10] Точка белого равна D 65 , как указано в стандартном наблюдателе 2° .

Передаточные характеристики

Рек. 709 определяет нелинейную OETF ( оптоэлектрическую передаточную функцию ), которая известна как « гамма камеры » и описывает, как камера HDTV кодирует линейный свет сцены в значение нелинейного электрического сигнала. Рек. 709 не определяет EOTF дисплея ( функцию электрооптической передачи ), которая описывает, как дисплеи HDTV должны преобразовывать нелинейный электрический сигнал в линейный отображаемый свет, что было сделано в ITU-R BT.1886 . См. ITU-R BT.2087 для подробного описания вариантов преобразования цветов из Rec. 709 по Рек. 2020 .

Рек. 709 OETF выглядит следующим образом, близко к 1/1,9 – 1/2,0 чистой гаммы: ^[11]

${\displaystyle V={\begin{cases}4.500L&L<0.018\\1.099L^{0.45}-0.099&L\geq 0.018\end{cases}}}$

где

• ${\displaystyle V}$— значение нелинейного электрического сигнала в диапазоне . ${\displaystyle \left[0,1\right]}$
• ${\displaystyle L}$— линейная яркость сцены в диапазоне . ${\displaystyle \left[0,1\right]}$
• 1,099 называется α и является приближенным выражением α = 1 + 5,5 * β = 1,099296826809442...
• 0,018 называется β и является приблизительным значением 0,018053968510807...
• 0,099 это α - 1 ^[12]
• Эти значения берутся из этих одновременных уравнений ^[13] , которые необходимы для плавного соединения двух сегментов кривой: ${\displaystyle {\begin{cases}4.5\beta =\alpha \beta ^{0.45}-\alpha +1\\4.5=0.45\alpha \beta ^{-0.55}\end{cases}}}$

Рек. 709 OETF является линейным в нижней части, а затем представляет собой степенную функцию с гаммой 0,45 (около 1/2,222..., что отличается от приближения sRGB 2,2) для остальной части диапазона. Общая OETF приближается к чистой степенной функции с гаммой 0,50–0,53 (около 1/1,9–1/2,0). Использование чистой гаммы в качестве OETF невозможно, поскольку сжатие в нелинейные значения удалит множество теней, расположенных непосредственно рядом с черными. Таким образом, был изобретен линейный сегмент и для энергетического сегмента была использована гамма 0,45. Старые ЭЛТ имели EOTF 2,35 чистой гаммы ^[14] , и, таким образом, соответствующая поправка 709 OETF для получения линейного изображения EOTF (если предполагается сквозная гамма 1,2) была чистой гаммой 1,2 / 2,35 = 0,51 = 1/. 1,9608. Таким образом он использовался Apple до появления устройств Display P3.

В типичной производственной практике функция кодирования источников изображения (OETF) настраивается таким образом, чтобы окончательное изображение имело желаемый эстетический вид при просмотре на эталонном мониторе с гаммой 2,4 (согласно ITU-R BT.1886 ) при тусклом эталонном изображении. условия просмотра (в соответствии с Рекомендацией ITU-R BT.2035 это 10 люкс D ₆₅ или D ₉₃ в Японии). ^{[15] [16] [17]}

Рек. 709 инверсный OETF описывает преобразование значения нелинейного электрического сигнала в линейную яркость сцены. Это происходит следующим образом:

${\displaystyle L={\begin{cases}{\dfrac {V}{4.5}}&V<0.081\\\left({\dfrac {V+0.099}{1.099}}\right)^{\frac {1}{0.45}}&V\geq 0.081\end{cases}}}$

EOTF дисплея HDTV (иногда называемый «гаммой дисплея») не является инверсией OETF камеры. ^[18] EOTF не указана в Рек. 709. Он обсуждается в EBU Tech 3320 и указан в ITU-R BT.1886 как эквивалентная гамма 2,4, которая отклоняется от нее в области черного в зависимости от глубины черного. ^{[19] [20]} Это более высокая гамма, чем приблизительно гамма 2.0 в Rec. 709 ОЭТФ. Результирующая сквозная системная гамма ( OOTF ) телевизионной системы HD составляет около 1,2, и она была специально разработана для обеспечения компенсации тусклого эффекта объемного звучания . ^[18]

Рек. 709 и sRGB имеют одинаковые первичную цветность и цветность точки белого; однако sRGB явно выводится (отображается) с эквивалентной гаммой 2,2 ( фактическая функция также является кусочной, чтобы избежать проблем, близких к черному). ^[21] Дисплей P3 использует sRGB EOTF со своим линейным сегментом, изменение этого сегмента с 709 необходимо либо с помощью параметрического кодирования кривой ICC v4, либо с помощью ограничения наклона.

Цифровое представительство

Рек. 709 определяет кодировку R'G'B' и кодировку Y'C _B C _R , каждая из которых имеет либо 8 бит, либо 10 бит на выборку в каждом цветовом канале. При 8-битном кодировании каналы R' , B' , G' и Y' имеют номинальный диапазон [16..235], а _каналы CB и CR имеют номинальный диапазон [16..240] _. ] с нейтральным значением 128. Таким образом, в ограниченном диапазоне эталонный черный цвет R'G'B' равен (16, 16, 16), а эталонный белый цвет - (235, 235, 235), а эталонный черный цвет Y'C _B C _R равен (16, 128, 128). и эталонный белый цвет (235, 128, 128). Допускаются значения, выходящие за пределы номинального диапазона, но обычно они ограничиваются для трансляции или отображения (за исключением Superwhite и xvYCC ). Значения 0 и 255 зарезервированы как ссылки синхронизации (SAV и EAV) и не могут содержать данные о цвете (для 8 бит, для 10 бит зарезервированы дополнительные значения , а для 12 бит даже больше, никакие значения не резервируются в файлах, режиме RGB или полный диапазон цифровых режимов YCbCr, таких как sYCC или opYCC ). Рек. В 10-битной кодировке 709 номинальные значения в четыре раза больше, чем в 8-битной кодировке. Для облегчения преобразования используется простое дополнение для эталонных значений, например, 240 просто дополняется двумя конечными нулями и дает 960 для максимальной 10-битной цветности. ^[22] Рек. Номинальные диапазоны 709 такие же, как те, которые определены в Рекомендации МСЭ. 601 . ^[23]

Преобразование стандартов

Преобразование между различными стандартами частоты кадров видео и кодирования цвета всегда было проблемой для производителей контента, распространяющих контент в регионах с разными стандартами и требованиями. Хотя BT.709 облегчил проблему совместимости с точки зрения потребителей и производителей телевизоров, средства вещания по-прежнему используют определенную частоту кадров в зависимости от региона, например 29,97 в Северной Америке или 25 в Европе, что означает, что для вещательного контента по-прежнему требуется как минимум преобразование частоты кадров.

Преобразование стандартного разрешения

Обширная устаревшая библиотека программ и контента стандартной четкости создает дополнительные проблемы. NTSC , PAL и SECAM — это чересстрочные форматы с соотношением сторон 4:3 и относительно низким разрешением. Масштабирование их до разрешения HD с соотношением сторон 16:9 сопряжено с рядом проблем.

Во-первых, это возможность появления отвлекающих артефактов движения из-за чересстрочного видеоконтента. Решение состоит в том, чтобы либо выполнить повышающее преобразование только в чересстрочный формат BT.709 с той же частотой полей и масштабировать поля независимо, либо использовать обработку движения для удаления межполевого движения и деинтерлейсинга , создавая прогрессивные кадры. В последнем случае обработка движения может привести к появлению артефактов и может замедлиться.

Во-вторых, это проблема размещения формата изображения SD 4:3 в кадре HD 16:9. Обрезка верхней и/или нижней части кадра стандартной четкости может работать, а может и не работать, в зависимости от того, позволяет ли это композиция и есть ли графика или заголовки, которые будут обрезаны. Альтернативно, бокс с колоннами может отображать все изображение 4:3, оставляя черные границы слева и справа. Иногда этот черный цвет наполнен растянутой и размытой формой изображения.

Кроме того, основные цвета SMPTE C RGB, используемые в стандартном разрешении Северной Америки, отличаются от основных цветов BT.709 (SMPTE C обычно называют NTSC, однако это другой набор основных цветов и другая точка белого, чем у NTSC 1953 года ^{[ 24]} ). Основные красный и синий цвета для PAL и SECAM такие же, как и для BT.709, с изменением основного зеленого цвета. Для точного преобразования изображения требуется LUT (таблица поиска) или рабочий процесс с управлением цветом для преобразования цветов в новое цветовое пространство. ^[25] Однако на практике это часто игнорируется, за исключением mpv, потому что даже если плеер управляет цветом (большинство из них нет, включая VLC), он может видеть только основные цвета BT.709 или BT.2020.

Коэффициенты яркости

При кодировании видео Y'C _B C _R BT.709 создает гамма-кодированную яркость ( Y' ), используя матричные коэффициенты 0,2126, 0,7152 и 0,0722 (вместе они в сумме дают 1). В BT.709-1 использовались немного другие 0,2125, 0,7154, 0,0721 (в BT.709-2 изменены на стандартные). Хотя всемирное соглашение по единой системе R'G'B' было достигнуто с помощью Рек. 709, принятие различных коэффициентов яркости (поскольку они получены из основных цветов и точки белого ^[26] ) для Y'C _B C _R требует использования различного декодирования яркости-цветности для стандартной четкости и высокой четкости. ^[27]

Программное и аппаратное обеспечение для конвертации

Эти проблемы можно решить с помощью программного обеспечения для обработки видео, которое может быть медленным, или аппаратных решений ^[28] , которые позволяют осуществлять преобразование в реальном времени и часто с улучшением качества.

Ретрансфер фильма

Более идеальное решение — вернуться к оригинальным элементам фильма для проектов, созданных в кино. Из-за унаследованных проблем международного распространения во многих телевизионных программах, снятых на пленку, использовался традиционный процесс резки негатива, а затем использовался один мастер фильма, который можно было транслировать по телесину для разных форматов. Эти проекты могут повторно передать свои вырезанные негативные мастера на мастер BT.709 по разумной цене и получить преимущества полного разрешения пленки.

С другой стороны, для проектов, которые были созданы на пленке, но завершили свой онлайн-мастер с использованием видео-онлайн-методов, потребуется повторно переснять отдельные необходимые кадры фильма, а затем снова собрать их, для этого потребуется значительно большее количество рабочей силы и машинного времени. случае по сравнению с телесином для конформного негатива. В этом случае пользование преимуществами оригинала фильма повлечет за собой гораздо более высокие затраты на преобразование оригиналов фильма в новый мастер HD.

Связь с sRGB

sRGB был создан после ранней разработки Rec.709. Создатели sRGB решили использовать те же основные цвета и точку белого, что и Rec.709, но изменили кривую тонального отклика (иногда называемую гаммой ), чтобы лучше соответствовать предполагаемому использованию в офисах и более ярких условиях, чем просмотр телевизора в темной гостиной. .

Смотрите также

• Рек. 601 , аналогичный стандарт для телевидения стандартной четкости (SDTV).
• Рек. 2020 г. , стандарт для телевидения сверхвысокой четкости (UHDTV) с широкой цветовой гаммой (WCG).
• Рек. 2100 — стандарт для телевидения с расширенным динамическим диапазоном (HDR-TV) с разрешением FHD и UHD.
• sRGB — стандартное цветовое пространство для веб-/компьютерной графики, основанное на Rec. 709 основных цветов и точка белого

Рекомендации

1. «BT.709: Значения параметров для стандартов HDTV для производства и международного обмена программами». www.itu.net . нд . Проверено 19 апреля 2021 г.
2. «BT.709: значения основных параметров стандарта HDTV для студии и для международного обмена программами». www.itu.net . Рек. 709-01. 16 ноября 1993 года . Проверено 19 апреля 2021 г.
3. «BT.709: Значения параметров для стандартов HDTV для производства и международного обмена программами» . www.itu.net . Рек. 709-06. 7 июня 2015 г. Проверено 19 апреля 2021 г.
4. «Выводы внеочередного собрания 11-й исследовательской группы по телевидению высокой четкости» (PDF) . 1989.
5. "МСЭ-R BT.709-5" . МСЭ-Р .
6. "Rec.709-6" (PDF) . МСЭ-Р . Проверено 10 декабря 2020 г.
7. Рек. МСЭ-R. БТ.709-5 стр. 18, п. 1.3 и 1.4
8. «« Super Hi-Vision » как телевидение следующего поколения и его параметры видео» . Информационный дисплей. Архивировано из оригинала 12 января 2013 года . Проверено 1 января 2013 г.
9. Сюй Янь; Ли Ян; Ли Гуйлин (май 2009 г.). «Разновидность метода нелинейного квантования для расширения цветовой гаммы системы цифрового телевидения». 2009 г. 13-й Международный симпозиум IEEE по бытовой электронике . стр. 141–143. дои : 10.1109/ISCE.2009.5156953. ISBN 978-1-4244-2975-2. S2CID  5922384.
10. «Гамма указателя — охват реальных цветов поверхности цветовым пространством RGB и широкой гаммой — TFT Central». www.tftcentral.co.uk . 19 февраля 2014 года . Проверено 5 февраля 2021 г.
11. Рек. МСЭ-R. BT.709-6 стр. 3, пункт 1.2 https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bt/R-REC-BT.709-6-201506-I!!PDF-E.pdf
12. «H.273: независимые от кодирования кодовые точки для идентификации типа видеосигнала» . www.itu.int . Проверено 16 января 2021 г.
13. «BT.2020: Значения параметров для систем телевидения сверхвысокой четкости для производства и международного обмена программами» . www.itu.int . Проверено 16 января 2021 г.
14. «Гамма 2.2 против Гаммы 2.4 - Как, почему и когда (в DaVinci Resolve)?». Смешивание света . Проверено 29 апреля 2022 г.
15. Рек. МСЭ-R. BT.709-6 стр. 3, сноска 1
16. ITU-R BT.1886 Эталонная электрооптическая функция передачи для плоских дисплеев, используемых в студийном производстве HDTV
17. МСЭ-R BT.2035
18. EBU Tech 3320, стр. 11, https://tech.ebu.ch/docs/tech/tech3320.pdf.
19. «BT.1886: 10 вопросов, 10 ответов» (PDF) .
20. «Программное обеспечение для калибровки видео ChromaPure» . www.chromapure.com . Проверено 28 марта 2021 г.
21. Пойнтон, Чарльз (2012). Алгоритмы и интерфейсы цифрового видео и HD . Берлингтон, Массачусетс: Эльсевир/Морган Кауфманн. п. 321. ИСБН 978-0-12-391926-7.
22. «SpectraCal • Просмотр темы — YCbCr v RGB, какое цветовое пространство является библейским?». 12 сентября 2015 года. Архивировано из оригинала 12 сентября 2015 года . Проверено 28 апреля 2021 г.
23. Рек. МСЭ-R. БТ.601-5, 1995 г.
24. Паскаль, Дэнни. Обзор цветовых пространств RGB (PDF) . BableColor . Проверено 19 октября 2021 г.
25. «Управление цветом на основе LUT с открытым исходным кодом» . Откройте Цветной ввод-вывод . ОЦИО . Проверено 19 октября 2021 г.
26. RP 177:1993 - Рекомендуемая практика SMPTE - Вывод основных уравнений цвета телевидения. 1993. стр. 1–4. doi :10.5594/SMPTE.RP177.1993. ISBN 978-1-61482-191-5. Проверено 10 апреля 2021 г.
27. «Яркость, яркость и переход на DTV». poynton.ca . 6 февраля 1998 года . Проверено 7 мая 2021 г.
28. "Конвертер Blackmagic Teranex" . Дизайны Blackmagic . Проверено 10 декабря 2020 г.

Внешние ссылки

• ITU-R BT.709-6: Значения параметров для стандартов HDTV для производства и международного обмена программами. Июнь 2015 г. Обратите внимание, что это -6текущая версия; предыдущие версии были -1до -5.
• Пойнтон, Чарльз, Единообразие восприятия, рендеринг изображения, состояние изображения и Rec. 709. Май 2008 г.
• sRGB : МЭК 61966-2-1:1999.