[색공간] MP4 영상에 사용되는 YUV 색공간

사람의 눈은 색 변화보다는 밝고 어두움의 정도에 더 민감하다. Why?

사람 눈에는 두 가지 타입의 광수용기(photoreceptor)가 있다: 원추세포(cone cell), 간상세포(rod cell) (그림 1).

원추세포는 또 세가지 종류로 나뉘는데, 어떤 파장의 빛에 민감한지에 따라 long-wave, middle-wave, short-wave로 분류된다. 파장이 긴 빛은 빨간색을 띄므로 long-wave 원추세포는 간단히 'red 원추세포'라고도 불린다. 파장이 중간 정도로 긴 빛은 초록색을 띄므로 middle-wave 원추세포는 'green 원추세포'로, 짧은 파장의 빛은 파란색을 띄므로 short-wave 원추세포는 'blue 원추세포'로 불린다. 이러한 원추세포들 덕분에 우리는 색상을 구별할 수 있는 것이다. 

간상세포는 적은 빛의 양에도 매우 잘 반응하는 특성이 있다. 간상세포는 원추세포보다 더 민감해서 야간에는 시각 대부분을 담당한다. (원추세포는 주간 시각을 담당) 

간단히 말해서 원추세포는 색상을, 간상세포는 명암을 구분한다. 간상세포가 원추세포보다 더 민감하므로 사람은 색보다는 명암의 변화에 더 민감한 것 같다. 이러한 특성을 반영한 것이 YUV 색 공간이다. 

그림 1. 원추세포와 간상세포 (그림 출처 [3])

좀더 사람 눈에 민감한 명암에 대한 정보는 좀 더 많은 데이터로, 덜 민감한 색상에 대한 정보는 적은 데이터로 이미지를 설명하는 방식이다. 

YUV에서 Y는 밝기에 대한 정보, U, V는 색상에 대한 정보를 의미한다. U는 RGB의 파란색 채널에서 밝기 성분을 뺀 값이고, V는 빨간색 채널에서 밝기 성분을 뺀 값이다. 따라서 RGB를 YUV로 전환하는 공식은 아래와 같다. 

Y = 0.229R + 0.587G + 0.114B

U = 0.492(B - Y) 

   = -0.14713R - 0.28886G + 0.436B

V = 0.877(R - Y) 

   = 0.615R - 0.51499G - 0.10001B

YUV 방식은 아래와 같이 네 가지로 세분화할 수 있다. 

1. YUV 4:4:4 

Y,U,V 각 채널마다 8비트씩 할당해줘서 한 픽셀 당 24비트가 필요한 방식이다. 용량면에서보면 한 픽셀 당 24비트 필요한 RGB 방식과 동일하다. 

2. YUV 4:2:2 

Y 성분이 모든 픽셀당 주어진다면, U, V 성분들은 가로로 인접한 2개의 픽셀당 하나씩만 주어지는 방식이다. 2개의 픽셀에 쓰인 비트를 계산해보면 Y 성분으로 16비트, 그리고 U, V 성분으로 각각 8비트씩 총 32비트이므로, 2로 나누면 한 픽셀당 16비트 사용된 셈이다. 그만큼 용량을 줄일 수 있다. TV 방송에서 많이 쓰인다. 

3. YUV 4:1:1

Y 성분은 마찬가지로 모든 픽셀당 주어지고, U, V 성분들은 가로로 연결된 4개의 픽셀당 하나씩만 주어진다. 4개의 픽셀에 쓰인 비트를 계산해보면 Y 성분으로 32비트, U, V 성분으로 각각 8비트씩 총 48비트이므로, 4로 나누면 한 픽셀당 12비트씩 사용된 셈이다. 용량 면에서는 좋지만 잘 안쓰인다. 

4. YUV 4:2:0

Y 성분은 역시 모든 픽셀당 주어진다. U, V 성분들은 정사각형으로 인접한 4개의 픽셀당 하나씩 주어진다. 4개의 픽셀에 쓰인 비트를 고려해보면, Y 성분으로 32비트, U, V 성분으로 각각 8비트씩 총 48비트이다. 4로 나누면 한 픽셀당 12비트씩 사용된 것으로 볼 수 있다. YUV 4:1:1과 용량 소모는 같다. 

말로만 설명하니 좀 모호한 것 같네요. 그림으로 이 네가지 방식을 설명한 것은 [1]을 참고하세요. 매우 잘 그려놓으셨기에..^^ 

이것이 RGB 컬러 공간을 사용한 AVI 영상보다 YUV420의 MP4 영상이 용량면에서 우월한 이유 중 하나다. 

(http://blueskyvision.tistory.com/104를 참고하세요.^^)

<참고 자료>

[1] http://hruj.tistory.com/4 => YUV에 대한 설명

[2] http://programmingfbf7290.tistory.com/entry/%EC%83%89-%EA%B3%B5%EA%B0%842-YIQ-YUV-YCbCr => 색 공간에 대한 설명

[3] Snowden, Thompson, Troscianko, "Basic Vision: an introduction to visual perception", Oxford 출판사 => 원추세포 및 간상세포에 대한 설명

[4] https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9B%90%EC%B6%94%EC%84%B8%ED%8F%AC => 원추세포에 대한 위키백과 설명