RGB는 Red, Green, Blue 빛의 3가지 속성으로 영상을 표현하는 방식을 말합니다.
일반적으로 PC의 모니터 등에서 많이 사용됩니다.
RGB 방식에서 흑백을 표현하기 위해서는 R=G=B 3개의 채널 값이 동일하면 흑백으로 표현됩니다. (빛의 가산 혼합)
흰색 : 255, 255, 255
회색 : 128, 128, 128
검정 : 0, 0, 0
즉, 흑백을 표현하기 위해서는 3개의 채널 값이 필요합니다.
YUV 색공간
YUV는 빛의 밝기를 나타내는 휘도(Y) 신호와 색상신호 2개(U,V)로 표현하는 방식을 말합니다.
일반적인 TV나 비디오 카메라에서 많이 사용됩니다.
YUV에서는 흑백을 표현하기 위해서는 Y 신호만 있으면 됩니다.
흰색 : 235, 0, 0
회색 : 128, 0, 0
검정 : 16, 0, 0
텔레비젼 시스템에서 YUV를 사용하게 된 배경에 대해서는 여러가지 설이 있습니다만, 옛날 흑백 TV 시절까지 거슬러 올라가자면,, 흑백 TV는 빛의 밝기 신호만 가지고 영상을 표현했습니다. 그러다가 칼라 TV가 출현하게 되자 문제의 고민이 시작됩니다.
흑백 TV와 칼라 TV를 동시에 볼 수 있게 해주는 방송 신호? 이것이 바로 YUV의 시작입니다. 즉, 흑백 TV는 휘도(Y) 신호만으로 영상을 보여주고, 나머지 칼라신호(U,V)는 버립니다. 칼라 TV에서는 Y신호와 U,V 신호를 모두 이용하여 칼라 화면을 보여주게 됩니다.
아래 그림과 같이 휘도 신호와 칼라 신호로 구성된 색공간은 방송 포맷이나 규격에 따라 달리 쓰이고 있습니다.
본 강좌에서는 Y-Cr-Cb, Y-RY-BY, YIQ, YUV를 모두 'YUV'로 통칭하여 설명합니다.
(그림 출처: 월간 시큐리티월드 통권 제123호, CCTV 카메라 모듈의 종류와 활용(4) - CCD 이미지 센서와 ISP)
YUV는 영상신호를 수평, 수직동기신호를 나타내는 휘도(Y)와 색상신호(U,V)로 분리하여 처리하는 방식이다. 이 방식은 RGB보다 색상분리 및 전달효과는 약하지만, 적은 색상 정보로 보다 많은 색상을 표현해 낼 수 있다는 장점이 있기 때문에 YUV를 인코딩 과정에서 많이 사용한다. 그리고 MPEG2에서 사용되는 Y-Cb-Cr은 YUV와 동일한 형식이다.
세계 각지에서는 서로 다른 방식의 TV 규격을 사용하고 있다. PAL방식은 유럽에서 사용되며 주사선이 625개이다. SECAM 방식은 R-Y, B-Y 신호를 주사선별로 서로 주파수 변조를 하고 있다. PAL이나 SECAM 방식은 NTSC보다 채도, 재현성, 색상 등이 좋은 특징을 갖고 있다.
PAL이나 SECAM 방식에서 쓰이는 색상 모델이 YUV이다. YUV는 원래 NTSC를 위하여 제안된 방식이나, 비슷한 화질에 압축률이 좋은 YIQ 방식으로 교체되었다. 따라서 YUV 좌표계는 PAL과 SECAM에서만 사용하게 되었다.
(인용 논문: MPEG-2 비디오의 화질향상을 위한 소프트-α 필터 기법/심비연, 2002)
21세기로 넘어와서..
흑백 TV가 사라진 오늘날에도 YUV 신호를 사용하는 이유는 RGB신호에 비해 압축률을 크게 향상시킬 수 있다는 점 때문입니다. RGB를 압축하여도 YUV에 비하여 상당히 많은 데이터들이 필요로 한데, 특히 흑백만을 표현할 때도 RGB에는 모든 데이터들이 필요하기 때문에 상대적으로 많은 저장공간을 필요로 하게 됩니다. RGB에서 YUV로의 변환 만으로도 1/2 정도의 데이터를 줄이게 됩니다.
YUV 색공간은 인간의 눈의 인지 원리를 응용하였다고 볼 수 있습니다.
인간의 눈의 인지 원리
눈의 가장 안쪽의 막을 망막이라 한다. 망막은 눈의 뒤쪽 안 벽면을 덮고 있다. 눈이 초점을 잘 맞추면 물체로부터 온 빛이 눈으로 들어와서 망막 위에 상이 맺힌다. 형태 인식은 망막의 표면에 분포되어 있는 빛 수용체에 의해 이루어진다. 수용체에는 원추체(cones)와 간상체(rods) 두 종류가 있다. 원추체가 6~7백만 개가 있고, 간상체는 7천 5백만~1억 5천만 개가 분포되어 있다.
원추체는 망막 중심부의 중심체(fovea)라는 곳에 있으며 색에 매우 민감하다. 간상체는 망막 전체에 분포하며 색은 인지할 수 없고, 낮은 조명에도 민감하게 반응한다. 예를 들어 밝은 대낮에는 밝은 색깔을 가진 물체가 어두운 밤에는 색이 없는 형태로만 보이게 되는 이유도 어두운 환경에서는 간상체만 자극 되기 때문이다. (인용: 디지털영상처리, Rafael C. Gonzalez)
(그림 출처: http://blog.naver.com/mam_zang/60018396833)
즉, 인간의 눈은 밝기 신호에 비해 색상 신호에 더 둔감한 편입니다. 그래서 색상 정보가 훨씬 풍부한 RGB 신호나 색상 정보가 다소 부족한 YUV 신호의 영상의 차이를 잘 느끼지 못하는 것입니다.
캠코더의 CCD나 CMOS가 빛을 받게 되면 R,G,B 센서에 전기적 신호가 발생하고 이 신호를 아날로그-디지털 컨버터(A/D Convert)를 거처 디지털 신호로 변환하고 RGB-YUV 컨버터를 통해서 최종 YUV 신호로 변환됩니다. 단판식 CMOS 센서의 경우, 위 그림처럼 센서 내에 R,G,B 센서를 배열하게 되고, 3판식의 경우에는 프리즘 통과해서 나온 R,G,B 빛을 3개의 독립된 센서가 각각 빛을 입력 받게 됩니다.
NLE 프로그램의 색공간
프리미어, 에디우스, 파이널컷프로 등은 YUV 색공간을 사용하고,
애프터이팩터, 컴버스쳔, 쉐이크 등과 같은 합성 툴들은 RGB 색공간을 사용한다고 합니다.
따라서 두 프로그램을 혼용할 때는 반드시 색공간 변환에 주의 해야 합니다.
RGB-YUV 변환공식
변환 공식은 여러가지가 있으나, 가장 일반적인 공식을 소개합니다.
(그림출처 : Memory-efficient design of DCC-based LCD controller using RGB to YUV conversion, 문혁, 2007)
위 공식으로 RGB를 YUV로 변환한 색상 값입니다.
(YUV의 U,V의 128은 YUV 색공간에서 0와 같은 값입니다)
서브샘플링
RGB-YUV 변환 후에 색상 신호는 서브샘플링 과정을 거쳐 한 번더 압축됩니다. 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 등은 Y,U,V 신호에 대한 서브샘플링 비율을 뜻합니다. 예를 들어, 4:2:2의 경우, Y신호를 4번 샘플링 하는 동안 U,V 신호는 2번씩 샘플링 하게 됩니다. 결국 Y신호 대비 1/2의 색상 신호만을 가지게 되는 것입니다.
4:4:4 샘플링
Y신호를 1회 샘플링 할때 U,V 신호도 각각 1회씩 샘플링하게 됩니다. 즉, 원본 YUV신호를 말합니다.
4:2:2 샘플링
Y신호를 2회 샘플링 할때 U,V 신호는 1회씩만 샘플링합니다. 따라서 색상 신호는 휘도 신호에 비해 1/2의 해상도를 가지게 됩니다. 보통 방송용 ENG 카메라 장비에서 많이 사용하는 방식입니다.
4:1:1 샘플링
Y신호를 4회 샘플링 할때 U,V 신호는 각각 1회씩만 샘플링하게 되므로, 휘도 신호에 비해 색상 해상도는 1/4로 떨어지게 됩니다.
예전 NTSC DV에서 많이 사용하던 방식입니다.
4:2:0 샘플링
조금 복잡한 방식인데, 첫번째 휘도 신호를 2회 샘플링 할때 U 신호만 1회 샘플링합니다. 두 번째 휘도 신호를 2회 샘프링 할때는 U 신호는 샘플링하지 않고 V 신호만 1회 샘플링합니다. 따라서 처음 샘플링때는 4:2:0 이였다가, 두번째 샘플링때는 4:0:2 방식이 되는 것입니다. 이것을 그냥 4:2:0 이라 부르고, 가정용 HD 캠코더의 경우 대부분 이 방식을 사용합니다.
칼라테이블 (BT 601, BT 709)
BT 601은 아날로그 SDTV의 칼라테이블이고, BT 709는 디지털 HDTV의 칼라테이블입니다. 이 차이는 아래 그림을 참고하시기 바랍니다.
위의 그림에서 HDTV와 SDTV에서는 개별 표준색들이 같은 채도의 색상을 표현하고 있지만, 실제로 포함되어 있는 빛의 양에는 차이가 있음을 보여주고 있다. 이러한 비교 특성은 일정한 방향을 갖고 있는데, Color Bar의 왼쪽에 분포하고 있는 Yellow, Cyan, Green에서는 HDTV 신호가 더 높은 밝기신호를 갖고 있고, 칼라바 오른쪽에 분포하고 있는 Magenta, Red, Blue 에서는 HDTV 신호가 더 낮다. 이는 HD 카메라가 Blue, Red 계열의 색상의 명도는 낮게 묘사되지만 채도를 오히려 증가시키는 중요한 이유가 되고 있다.
(인용: 한국방송촬영감독 연합회 2004 HD 세미나 관련자료)
참고자료
위키피디아 : YUVChroma Sampling: An Investigation
