Luma (Video)

In der Videotechnik repräsentiert die Luma ( ) die Helligkeit eines Bildes (den „schwarz-weißen“ oder achromatischen Teil des Bildes). ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Luma wird typischerweise mit Chroma kombiniert . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Luma repräsentiert das achromatische Bild, während die Chroma-Komponenten die Farbinformationen darstellen . Die Umwandlung von RGB- Quellen (z. B. dem Ausgangssignal einer Drei-CCD-Kamera ) in Luma und Chroma ermöglicht die Chroma-Subsampling : Da das menschliche Auge eine feinere räumliche Empfindlichkeit für Luminanzunterschiede („Schwarz-Weiß“) als für Farbunterschiede aufweist, können Videosysteme Farbinformationen mit geringerer Auflösung speichern und übertragen, wodurch die wahrgenommenen Details in einer bestimmten Bandbreite optimiert werden. ^{[ 3 ]}${\displaystyle Y'}$

Luma ist die gewichtete Summe der gammakomprimierten RGB-Komponenten eines Farbvideos – die Apostrophe ′ kennzeichnen die Gammakomprimierung. Der Begriff wurde eingeführt, um Verwechslungen zwischen Luma (wie in der Videotechnik verwendet) und relativer Luminanz (wie in der Farbwissenschaft, z. B. gemäß CIE-Norm , definiert ) zu vermeiden. Relative Luminanz wird als gewichtete Summe linearer RGB-Komponenten berechnet, nicht gammakomprimierter. Trotzdem wird Luma manchmal fälschlicherweise als Luminanz bezeichnet. ^{[ 2 ]} SMPTE EG 28 empfiehlt das Symbol ′ für Luma und das Symbol ′ für relative Luminanz. ^{[ 1 ]}${\displaystyle Y'}$${\displaystyle Y}$

Obwohl Luma häufiger verwendet wird, kommt in der Videotechnik zur Beschreibung der Monitorhelligkeit auch der Begriff relative Luminanz vor. Die Formel zur Berechnung der relativen Luminanz verwendet Koeffizienten, die auf den CIE-Farbanpassungsfunktionen und den entsprechenden Standardfarbwerten von Rot, Grün und Blau basieren (z. B. den ursprünglichen NTSC- Primärfarben, SMPTE C oder Rec. 709 ).

Für die Rec. 709 (und sRGB ) Primärfarben ergibt sich die lineare Kombination, basierend auf rein farbmetrischen Überlegungen und der Definition der relativen Luminanz:

${\displaystyle Y=0,2126R+0,7152G+0,0722B}$

Die Formel zur Berechnung der Luma in der Rec. 709-Spezifikation verwendet willkürlich dieselben Koeffizienten, jedoch mit gamma-komprimierten Komponenten:

${\displaystyle Y'=0,2126R'+0,7152G'+0,0722B',}$

wobei das Apostroph-Symbol ′ die Gammakompression bezeichnet .

Bei digitalen Formaten gemäß CCIR 601 (d. h. den meisten digitalen Standardauflösungsformaten) wird die Luminanz mit folgender Formel berechnet:

${\displaystyle Y'_{\text{601}}=0.299R'+0.587G'+0.114B'}$

Formate, die der ITU-R -Empfehlung BT.709 folgen (d. h. die meisten digitalen High-Definition-Formate), verwenden eine andere Formel:

${\displaystyle Y'_{\text{709}}=0.2126R'+0.7152G'+0.0722B'}$

Moderne HDTV- Systeme verwenden die 709-Koeffizienten, während Übergangsformate wie 1035i HDTV (MUSE) die SMPTE 240M -Koeffizienten verwenden können :

${\displaystyle Y'_{\text{240}}=0.212R'+0.701G'+0.087B'=Y'_{\text{145}}}$

Diese Koeffizienten entsprechen den SMPTE RP 145-Primärfrequenzen (auch bekannt als „SMPTE C“), die zum Zeitpunkt der Erstellung des Standards verwendet wurden. ^{[ 5 ]}

Die Änderung der Luminanzkoeffizienten dient dazu, die „theoretisch korrekten“ Koeffizienten bereitzustellen, die die entsprechenden Standardfarbwerte (Farben) der Primärfarben Rot, Grün und Blau widerspiegeln. Diese Entscheidung ist jedoch umstritten. ^{[ 6 ]} Aufgrund der unterschiedlichen Luminanzkoeffizienten müssen die Komponentensignale zwischen Rec. 601 und Rec. 709 konvertiert werden, um eine korrekte Farbwiedergabe zu gewährleisten. Bei Endgeräten kann die für diese Konvertierung benötigte Matrix (aus Kostengründen) weggelassen werden, was zu ungenauen Farben führt.

Originalbild ohne Farbunterabtastung. 200% Zoom.

Bild nach der Farbunterabtastung – Der Luminanzfehler ist als dunkler Streifen zwischen Grün und Magenta sichtbar.

Die Rec. 709-Luma-Koeffizienten bieten nicht zwangsläufig eine bessere Leistung. Aufgrund des Unterschieds zwischen Luma und relativer Luminanz repräsentiert Luma die Luminanz eines Bildes nicht exakt. Daher können Fehler in der Farbsättigung die Luminanz beeinflussen. Luma allein gibt die Luminanz nicht perfekt wieder; für eine genaue Luminanz sind sowohl genaue Luma- als auch Farbsättigungsangaben erforderlich. Folglich wirken sich Fehler in der Farbsättigung auch auf die Luminanz eines Bildes aus.

Beachten Sie die Helligkeitsabfälle an den Rändern. Aufgrund der weitverbreiteten Verwendung von Chroma-Subsampling treten Farbfehler typischerweise auf, wenn die Auflösung/Bandbreite reduziert wird. Diese reduzierte Bandbreite kann in Verbindung mit hochfrequenten Chroma-Komponenten sichtbare Luminanzfehler verursachen. Ein Beispiel für eine hochfrequente Chroma-Komponente ist die Linie zwischen den grünen und magentafarbenen Balken des SMPTE-Farbbalken -Testmusters. Luminanzfehler sind in diesem Bereich als dunkler Streifen erkennbar. ^{[ 7 ]}

• Gammakorrektur