扩展颜色信息

如果你知道有关 RGB 颜色的任何信息，你知道（255、255、255）是颜色 白色的 8 位 RGB 三重。 但是，这三重体定义的实际 颜色 是什么？

答案可能令人惊讶：如果没有一些额外的信息，这个三重体没有定义任何特定的颜色！ 任何 RGB 值的含义取决于 颜色空间。 如果我们不知道颜色空间，那么严格地说，我们不知道颜色。

颜色空间定义如何将给定颜色值的数值表示形式重现为物理光。 当视频在一个颜色空间中编码，但在另一个颜色空间中显示时，除非视频经过颜色更正，否则会导致颜色扭曲。 为了实现准确的颜色保真度，因此，了解源视频的颜色空间至关重要。 以前，Windows 中的视频管道未携带有关预期颜色空间的信息。 从 Windows Vista 开始，DirectShow 和 Media Foundation 都支持媒体类型中的扩展颜色信息。 此信息也可用于 DirectX 视频加速（DXVA）。

以数学方式描述颜色空间的标准方法是使用国际照明委员会（CIE）定义的 CIE XYZ 颜色空间。 直接在视频中使用 CIE XYZ 值并不实用，但在颜色空间之间转换时，CIE XYZ 颜色空间可用作中间表示形式。

若要准确重现颜色，需要以下信息：

• 颜色初选。 颜色初选定义 CIE XYZ 三元数值如何表示为 RGB 组件。 实际上，颜色初选定义了给定 RGB 值的“含义”。
• 传输函数。 传输函数是一个函数，可将线性 RGB 值转换为非线性 R'G'B' 值。 此函数也称为 gamma 更正。
• 传输矩阵。 传输矩阵定义 R'G'B' 如何转换为 Y'PbPr。
• 色度采样。 大多数 YUV 视频的分辨率在色度组件中传输的分辨率低于 luma。 色度采样由视频格式的 FOURCC 指示。 例如，YUY2 是一种 4：2：2 格式，这意味着色度样本水平采样的系数为 2。
• 色度坐着。 对色度进行采样时，色度样本相对于 luma 样本的位置决定了应如何内插缺失的样本。
• 名义范围。 名义范围定义如何将 Y'PbPr 值缩放到 Y'CbCr。

媒体类型中的颜色空间

DirectShow、Media Foundation 和 DirectX 视频加速（DXVA）都有不同的表示视频格式的方法。 幸运的是，很容易将颜色空间信息从一个转换为另一个，因为相关的枚举是相同的。

• DXVA 1.0： DXVA_ExtendedFormat结构中 提供了颜色空间信息。

• DXVA 2.0： DXVA2_ExtendedFormat 结构中提供了颜色空间信息。 此结构与 DXVA 1.0 结构相同，字段的含义相同。

• DirectShow： VIDEOINFOHEADER2结构中 提供了颜色空间信息。 信息存储在 dwControlFlags 字段的上 24 位中。 如果存在颜色空间信息，请设置 dwControlFlags 中的AMCONTROL_COLORINFO_PRESENT标志。 设置此标志时， dwControlFlags 字段应解释为 DXVA_ExtendedFormat 结构，只是为 AMCONTROL_xxx 标志保留结构较低的 8 位。

• 视频捕获驱动程序： KS_VIDEOINFOHEADER2结构中 提供了颜色空间信息。 此结构与 VIDEOINFOHEADER2 结构相同，字段的含义相同。

• 媒体基础：颜色空间信息以媒体类型中的属性的形式存储：

  颜色信息	特征
  颜色初选	MF_MT_VIDEO_PRIMARIES
  传输函数	MF_MT_TRANSFER_FUNCTION
  传输矩阵	MF_MT_YUV_MATRIX
  色度子采样	MF_MT_SUBTYPE （由 FOURCC 提供，该 ID 存储在子类型 GUID 的第一个 DWORD 中。
  色度坐坐	MF_MT_VIDEO_CHROMA_SITING
  名义范围	MF_MT_VIDEO_NOMINAL_RANGE

   

颜色空间转换

从一个 Y'CbCr 空间转换为另一个空间需要执行以下步骤。

1. 反量化：使用源名义范围将 Y'CbCr 表示形式转换为 Y'PbPr 表示形式。

2. 向上采样：通过内插色度值将采样的色度值转换为 4：4：4。

3. YUV 到 RGB 转换：使用源传输矩阵从 Y'PbPr 转换为非线性 R'G'B'。

4. 逆传输函数：使用传输函数的反转函数将非线性 R'G'B' 转换为线性 RGB。

5. RGB 颜色空间转换：使用颜色初选从源 RGB 空间转换为目标 RGB 空间。

6. 传输函数：使用目标传输函数将线性 RGB 转换为非线性 R'G'B。

7. RGB 到 YUV 转换：使用目标传输矩阵将 R'G'B' 转换为 Y'PbPr。

8. 向下采样：通过筛选色度值将 4：4：4 转换为 4：2：2、4：2：0 或 4：1：1。

9. 量化：使用目标名义范围将 Y'PbPr 转换为 Y'CbCr。

步骤 1-4 发生在源颜色空间中，步骤 6-9 发生在目标颜色空间中。 在实际实现中，中间步骤可以是近似步骤，相邻步骤可以组合在一起。 准确性与计算成本之间通常存在权衡。

例如，若要从 RT.601 转换为 RT.709，需要以下阶段：

• 反量化：Y'CbCr（601） 到 Y'PbPr（601）

• 向上采样：Y'PbPr（601）

• YUV 到 RGB：Y'PbPr（601） 到 R'G'B'（601）

• 逆传输函数：R'G'B'（601） 到 RGB（601）

• RGB 颜色空间转换：RGB（601） 到 RGB（709）

• 传输函数：RGB（709） 到 R'G'B'（709）

• RGB 到 YUV：R'G'B'（709） 到 Y'PbPr（709）

• 向下采样：Y'PbPr（709）

• 量化：Y'PbPr（709） 到 Y'CbCr（709）

使用扩展颜色信息

若要在整个管道中保留颜色保真度，必须在源或解码器处引入颜色空间信息，并一直通过管道传送到接收器。

视频捕获设备

大多数模拟捕获设备在捕获视频时使用定义完善的颜色空间。 捕获驱动程序应提供包含颜色信息的 KS_VIDEOINFOHEADER2 格式块的格式。 为了向后兼容，驱动程序应接受不包含颜色信息的格式。 这将使驱动程序能够使用不接受扩展颜色信息的组件。

基于文件的源

分析视频文件时，媒体源（或 DirectShow 中的分析程序筛选器）可能可以提供一些颜色信息。 例如，DVD 导航器可以根据 DVD 内容确定颜色空间。 解码器可能提供其他颜色信息。 例如，MPEG-2 基本视频流提供sequence_display_extension字段中的颜色信息。 如果未在源中显式描述颜色信息，则可能由内容类型隐式定义。 例如，DV 视频的 NTSC 和 PAL 品种分别使用不同的颜色空间。 最后，解码器可以使用从源媒体类型获取的任何颜色信息。

其他组件

其他组件可能需要在媒体类型中使用颜色空间信息：

• 选择转换算法时，软件颜色空间转换器应使用颜色空间信息。
• 视频混音器（如增强的视频呈现器（EVR）混音器在混合不同类型的视频流时应使用颜色信息。
• DXVA 视频处理 API 和 DDI 使调用方能够指定颜色空间信息。 GPU 在执行硬件视频混合时应使用此信息。

相关主题

视频媒体类型

DirectX 视频加速 2.0