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CIE 色彩圖表為基礎的視訊監看

先進的量測技術

CIE色彩圖表為基礎的視訊監看

將視訊從一個視訊標準傳輸到另一個視訊標準，或從一個顯示系統傳輸到另一個顯示系統，通常會引發顏色的些微變化。.

這有兩個主要的因素，一個是不同系統使用不同的顯示原色（Display Primaries）：選擇不同的顯示原色，大大的影響可顯示的顏色範圍。其次是當視訊從一個標準傳輸到另一個標準時，對於保持RGB或YUV值位於色域中的要求。由轉換所產生的任何合法值，必須被帶回至色域中，通常以最接近的合法值取代。如此將會導致某些顏色開始去飽和（De-Saturated），並會喪失一些細部，尤其是在影像的暗部。

對於某些廣播電視素材，顏色改變的結果並不是特別的重要，但對先進的數位影院而言，這樣的問題就比較嚴重了。如果視訊想要與膠捲的發行有效的競爭，它必須能傳送好的顏色深度（Depth of Color），並盡可能在跨許多不同顯示系統時，仍能維持一定的標準。無可避免之顯示系統的限制，意味著必須做一些妥協，因此也必須讓這些妥協達到最小化。

在傳統視訊測試及測量系統監看色域的方法，對於辨識RGB及YUV值，落在合法範圍之外的位置非常有用，但對於如何影響顏色深度，卻無法清楚的交代。最新的OTM及OTR資料分析系統，OmniTek推出了CIE Colour Chart（色彩圖表）顯示，提供了每一個畫格顏色之清晰且即時（Real-Time）的追蹤。此追蹤可以更進一步與所支援色域的邊界重疊，透過視訊所要轉成的標準或所要顯示的監視器，位於邊界外的顏色是將會改變的顏色。

本白皮書，將介紹此新顯示背後的技術，並說明其優點。

介紹CIE顏色圖表

CIE顏色圖表（Colour Chart）顯示了所有人類眼睛可以看到顏色（因此，任何處理視訊顏色的人，都不需要再擔心）。

圖一：CIE色彩圖表

此圖表是根據在XYZ顏色空間中的顏色顯示，此顏色空間是由尋求明確表達顏色的研究者所發明設計。為此目的，他們想要符合下列條件的顏色空間：

Ÿ 涵蓋人類眼睛可以看到的所有顏色範圍。

Ÿ 必須且足以說明任何顏色的三個獨立且為正數的變數。

Ÿ 僅有來源的三色激值（Tri-Stimulus Value）在表達任何顏色相關，而不是它們的光譜成分（Spectral Composition）。

Ÿ 如果一或多個來源逐漸的改變，將導致三色激值也同時逐漸的改變。

明顯的，要符合這三個條件的選擇是：一個根據個別對於人類眼睛紅、綠、及藍色視錐反應的顏色空間，因此產生了XYZ顏色空間，在其中：

（您可以參閱另一篇“XYZ顏色空間”白皮書中，關於此顏色空間的說明。）

建立了X、Y及Z作為參數，問題就變成如何描繪出對應於人類眼睛所看到之顏色的XYZ值，及/或對應於任何視訊RGB/YCbCr 訊號的XYZ值。

幸運的是，任何3D顏色空間，皆可根據亮度為一度空間、而剩下的兩度空間定義顏色的“色度（Chromaticity）”，輕鬆的轉換成對應的空間，而色度是顏色中這裡唯一感興趣的部分。

亮度乃是相加，並且是由X + Y + Z而來。將X及Y除以亮度，得到x及y值，此二者代表色度（在描繪時不需要包含z因子，因為z = 1 – (x + y)）。所得的x及y結果，描繪出的淺顯易懂圖表，就是CIE色彩圖表。

CIE色彩圖表的主要功能

CIE色彩圖表有一些重要的性質。

人眼可以看到的顏色，在圖表中佔據了形狀約略呈馬蹄鐵的區域 – 它是傳統彩色與對應不同的x、y值的顏色一致。此區域代表人類視力的色域，標準化的亮度（顯示/印表技術的限制，當然意味著任何影像的CIE色彩圖表所演示的顏色，從沒有準確的反應真實對應於這些x、y值的顏色，但卻可以很好的給予一般的概觀）。

位於上色區域之外的區域，代表人類眼睛所無法看之顏色的x、y值，也就是不合法的X、Y、Z組合。同時需要注意的是，所有顯示的x、y值都為正數，並對應正數的X、Y、及Z值。

人類色域的曲線邊緣稱為光譜軌跡（Spectral Locus），對應於單色光（Monochromatic Light）。圖表中有彩虹顏色的完全飽和版本，位於底部的直線邊，稱為紫色線（Line Of Purples），其中沒有任何一個顏色在彩虹中能找到相對應的顏色。

在這些邊界裡面的部分，顏色變得逐步減少飽和，最終在“中央”的位置變成白色。

任何的顏色來源，都可用單一個點在上色的人類色域區中表示。在您有兩個顏色來源時，在兩點之間的直線代表其光線來源，表示透過將來自這兩個來源的光相混，而形成代表其所有的顏色；當您有三個光源時，透過將來自這三個光源的光相混，而形成顏色包含在一三角形內，此三角形是透過將代表三個光源的點連接起而形成。任何從真實來源所形成的三角形（每一個落在人眼色域之內），將必然比平凸馬蹄形的人眼色域小，也就是說，沒有哪一組三個真實的來源，可以涵蓋整個人眼的色域。

OmniTek採用CIE色彩圖表

OmniTek所提供的基本CIE色彩圖表如圖二所示，透過安裝VIDEO_XR_DCI選購軟體，可以在OTM及OTR系統中，加入這樣的顯示。

在背景顯示的是標準CIE色彩圖示x、y的描繪（在有色區域之外所顯示的顏色，當然純粹只是表示在顯示圖表的監視器上，無法產生任何在其RGB三角形外的顏色)。

在其上也許會重疊一或兩個色域三角形，及與目前正在分析之視訊影格的個別像素關連的x、y值的差值（Interpolated）描繪。其中的一個三角形將自動設定，以反應視訊來源的原色，另一個三角形則由使用者自行設定，但通常會設定成反應正在轉換的輸入視訊、或用來顯示視訊之特定監視器所使用的色彩原色的標準（您也可以從功能表中，選擇與不同視訊標準關連的三角形）。

圖二：OmniTek的CIE色彩圖表的顯示範例

檢視位於這些三角形旁的差值描繪，可精確的鑑別已經過分析之視訊中的顏色，該顏色將透過改變成不同的原色而受影響（那些座落於三角形內、與來源原色關連的，而座落於三角形外、與用來做視訊轉換系統關連的）。這些座落於三角形外的顏色，它們與目標三角形的距離，也提供了在轉換時這些顏色將去飽和的程度。

這些設備提供使用者下列功能：

Ÿ 使用者可為XYZ及RGB輸入，選擇色彩的原色（YCbCr輸入所使用的色彩的原色，將根據視訊的標準自動選擇）。

Ÿ 限制顯示的選項，以調整那些明度落於特定Luma層級的像素（這就是所知的“Luma Qualification – Luma限定”）。

Ÿ 限制顯示在某特定線上的像素、或在某特定有興趣之區域的選項。

此圖表優於向量圖顯示的主要優點之一是，其Luma層級為獨立的。

在視訊標準之間轉換的顏色問題

從RGB顯示轉換所產生的結果，完全根據使用什麼樣的紅、綠、及藍原色。

您也許不知道，PAL、NTSC、及HD 的傳送，各自定義了一組RGB原色，且各自有些許的不同（請參考表格一），而數位影院聯盟（DCI）則使用另一組原色。

表格一：顯示不同的視訊標準所定義的原色

PAL、NTSC、及HD標準所使用的RGB原色，是以實用基礎定義，且都非常接近在CRT電視中由紅、綠、及藍螢光粉（Phosphors）所發射的顏色光源。因此，從這些標準所產生訊號，可以用來直接驅動CRT，並將正確的反應攝影機所看到的顏色（假設所有的像素值都落於色域中）。

三色顏色空間的功能之一，是任何在一個顏色空間的三色激值，透過套用線性轉換（Tri-Stimulus Value）都可轉換成在另一個顏色空間相對應的三色激值（亦即，僅涉及乘及加）。因此，套用在原始色彩原色的RGB值，可以透過線性轉換，轉換成相對等的目標RGB值，此過程如以數學式表示，則如下列所示：

數學式中，涉及決定要套用在特定案例的3 x 3矩陣非常複雜，但在SMPTE RP 177已經有現成的案例，並且也提供範例（附在本白皮書的附錄中）。

然而，這些轉換的問題是，不同RGB系統提供不同顏色的範圍，這些不同意味著雖然在某一RGB系統是完美有效的顏色，在其他RGB系統中，也許卻會落在有效的色域之外。這最常見於為傳輸而進行影像轉換時：從傳統膠捲轉換到數位影院，及從數位影院轉換到SD或HD視訊。膠捲比數位影院支援更寬廣的色域、而數位影院又比SD或HD支援更寬廣的色域。

當紅、綠、或藍訊號在某特定像素超出色域時，要採取最簡單的動作是，強迫訊號為最小、或最大允許值（視何者為適）。此動作的效果為在整個影像將顏色朝向白色移動、將顏色去飽和，並逐漸的降低顏色的深度，這會喪失一些細節，尤其是在影像的暗部。

同時也要注意，LCD顯示的作業是，阻擋不想要的顏色，且無可避免的有部分被阻擋的光源仍穿透，將所產生的影像去飽和，並進一步縮小所支援之顏色範圍的三角形外框 – 透過Hewlett- Packard的DreamColor LP2480zx Professional LCD Display專業級顯示器，經由三顏色的LED背光及重新分布（Remapping）顏色空間的技術，抵消了這樣的效果。

這樣的改變，可以明顯的改變視訊序列的外觀及感覺。

抵消這些效果

這些改變後變差的效果，可在後製作時，經由對轉換的影像進行非常技巧的調光進行彌補。

雖然調光師大多用他們的雙眼進行很多的工作，但他們也從視訊測試及測量設備，使用各式各樣善於分析的顯示。

一般的視訊測試及測量系統，將提供波形柱狀圖、色域圖、及向量圖，然而，所提供的這些資訊是有限的。例如：在波形柱狀圖及色域圖中所顯示的資訊，是綜合了整個影格訊號的結果，而不是提供一個個圖素的資料，而柱狀圖中的顏色資訊，需要花很大的功夫去辨識，且常受亮度層級的影響很大。

為了達到最佳的效果，能夠從每個像素的層級，明瞭所使用的顏色做了什麼樣的妥協是很重要的。

在OmniTek OTM及OTR系統中的CIE色彩圖表，以非常準確的方式，提供了與任何特定色彩原色關連的顏色辨識。

特別重要的是，顯示中重疊的色域三角形，每一個三角形都是由與特定視訊標準關連之代表三原色的點形成，其中包含了該視訊標準所支援的所有顏色。也許會顯示兩個三角形 – 一個黃色及一個白色三角形。黃色三角形標示出，在來源視訊格式所支援的顏色範圍；白色三角形則標示出，在使用者所選取之目標視訊格式所支援的顏色範圍。

圖三：CIE色彩圖表顯示位於數位影院色域中的顏色，如何落於HD視訊傳輸的色域之外

顯示中的每一個亮點，代表影格中每一個像素的顏色，目前正在進行分析。

圖表直接顯示在顏色轉換到所選取之目標視訊格式時，如何的改變，您只要觀察那些落在兩個三角形之間的亮點即可，因為任何在CIE色彩圖表的像素，其顏色落於黃色三角形之內、但在白色三角形之外，都將修改以便與新的標準套片（Conform）。

這些修改將不可避免的導致影像會有些許的去飽和，在從原來顏色朝向最終目標顏色移動時，永遠都是朝圖表的中心移動，因此是朝白色移動。

附錄：在幾組RGB原色之間轉換

SMPTE RP（建議的作法）177包含下列的描述，關於如何推演使用不同RGB色彩原色顯示顏色之間進行轉換的矩陣。

4.1 輸入資料

輸入資料是由來源系統的標準化後原色（Normalized Primary）矩陣（NPMS），及目標系統（NPMD）組成。理想狀況下，這些矩陣應該直接從3位數主色度、及4位數的參考白色而產生，因此具有10位數的精確度。然而，標準化的參考原色矩陣，也許使用了四捨五入後4位數，因此必須具備必定導致精確度較低之轉換的認知。