Transfer Function (функция передачи) - это математическая функция, которая определяет, как линейные значения света (сцены) преобразуются в нелинейные значения сигнала для хранения и передачи, и наоборот. Transfer function - критически важный параметр для обеспечения точной цветопередачи и соответствия между различными устройствами отображения и стандартами.

[Основная концепция]

Проблема:

- Человеческое зрение нелинейно - мы более чувствительны к темным тонам.
- Матрица камеры захватывает свет линейно.
- Нужно эффективно использовать ограниченный битрейт.

Решение:

- Gamma коррекция - нелинейное кодирование света.
- Больше битов на темные тона, меньше на светлые.
- Соответствует восприятию человеческого глаза.

Для этого используются различные функции преобразования.

Default - по умолчанию для стандарта.

709 (BT.709), Rec. ITU-R BT.709

- Стандарт для HDTV
- Gamma ≈ 2.4

Пример для для HDTV (1080p, 720p):

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=709

sRGB, Standard Red Green Blue

- Для компьютерной графики, веб-браузеров
- Gamma ≈ 2.2

Пример для компьютерных мониторов, web:

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=srgb

opRGB, Optical RGB

- Для профессиональной графики
- Широкий цветовой охват
- Для обработки изображений

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=oprgb

smpte240M, устаревший стандарт SMPTE 240M

- Предшественник BT.709
- Представляет исторический интерес

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=smpte240m

smpte2084 (PQ), Perceptual Quantizer

- Для HDR контента (High Dynamic Range)
- Используется в Dolby Vision, HDR10

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=smpte2084

dcip3, DCI-P3

- Для цифрового кино
- Цветовое пространство цифрового кино
- Шире, чем sRGB

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=dcip3

none, линейный режим (без коррекции)

- Линейная передача
- Для RAW обработки
- Редко используется напрямую

$ v4l2-ctl --set-xfer-func=none

[Математическая основа]

Общая формула gamma коррекции:

V_out = V_in ^ (1/gamma)  // кодирование
V_in = V_out ^ gamma      // декодирование

Пример для sRGB на Python:

# Линейный свет → sRGB
def linear_to_srgb(linear):
    if linear < = 0.0031308:
        return 12.92 * linear
    else:
        return 1.055 * (linear ** (1/2.4)) - 0.055

[Практическое применение в qvidcap]

Для HDTV контента:

$ qvidcap --xfer-func=709

Для web-стриминга:

$ qvidcap --xfer-func=srgb

Для HDR записи:

$ qvidcap --xfer-func=smpte2084

Для профессиональной обработки:

$ qvidcap --xfer-func=oprgb

[Визуальные различия]

Сравнение gamma кривых:

- sRGB (2.2): ярче средних тонов, для мониторов
- BT.709 (2.4): темнее, больше деталей в тенях, для ТВ
- PQ: очень крутая кривая, сохраняет детали в ярких областях

[Совместимость с цветовыми пространствами]

HDTV настройки:

$ qvidcap --colorspace=709 --xfer-func=709 --ycbcr=709

sRGB настройки:

$ qvidcap --colorspace=srgb --xfer-func=srgb

HDR настройки:

$ qvidcap --colorspace=2020 --xfer-func=smpte2084 --quantization=lim_range

[Проверка текущих настроек]

В v4l2-ctl:

$ v4l2-ctl --get-fmt-video | grep -i xfer

Или полная информация:

$ v4l2-ctl --all | grep -A5 -B5 "Transfer"

[Когда важно устанавливать transfer function]

Корректный случаи использования:

- Захват для ТВ вещания → BT.709
- Захват для web → sRGB
- HDR контент → SMPTE 2084 (PQ)
- Архивное видео → SMPTE 240M
- Кино-производство → DCI-P3

Если не устанавливать:

- Возможны "неправильные цвета"
- Потеря деталей в тенях/засветке
- Некорректное отображение на разных устройствах

[Пример полной настройки]

Для профессионального видео производства:

qvidcap \
    --xfer-func=709 \
    --colorspace=709 \
    --ycbcr=709 \
    --quantization=lim_range \
    --output=professional.mp4

Y'CbCr - метод кодирования цветовой информации в видео сигналах, который отделяет яркость от цветности. Это фундаментальный параметр, который определяет, как цветная информация представляется в цифровом видео, и критически важен для обеспечения точной цветопередачи между различными устройствами и стандартами.

[Основная концепция Y'CbCr]

Компоненты:

- Y' (Luma) - информация о яркости (черно-белое изображение).
- Cb (Chrominance Blue) - разность между синим и яркостью.
- Cr (Chrominance Red) - разность между красным и яркостью.

Y'CbCr-кодирование используется по следующим причинам:

- Эффективное сжатие информации - человеческий глаз менее чувствителен к цветности.
- Совместимость с черно-белыми системами.
- Раздельная обработка яркости и цветности.

[Основные стандарты кодирования]

default - по умолчанию для устройства

601 (BT.601), ITU-R BT.601

- Стандарт для SDTV (стандартное разрешение)
- Используется для 480i/576i
- Цветовой охват: аналогичен sRGB

$ v4l2-ctl --set-ycbcr=601

709 (BT.709), ITU-R BT.709

- Стандарт для HDTV (высокое разрешение)
- Используется для 720p/1080i/1080p
- Цветовой охват: шире, чем 601

$ v4l2-ctl --set-ycbcr=709

xv601 и xv709

- Extended Gamut версии
- Расширенный цветовой охват
- Для устройств с широким охватом

$ v4l2-ctl --set-ycbcr=xv601
$ v4l2-ctl --set-ycbcr=xv709

bt2020 (BT.2020), ITU-R BT.2020

- Стандарт для UHDTV (4K/8K)
- Очень широкий цветовой охват
- Используется для HDR контента

$ v4l2-ctl --set-ycbcr=bt2020

bt2020c (BT.2020 Constant Luminance)

- Constant Luminance версия BT.2020
- Улучшенная обработка яркости
- Более сложные вычисления

$ v4l2-ctl --set-ycbcr=bt2020c

smpte240M, устаревший стандарт

- Предшественник BT.709
- Представляет исторический интерес

$ v4l2-ctl --set-ycbcr=smpte240m

[Математические различия]

Коэффициенты преобразования RGB → Y'CbCr следующие.

BT.601 (SDTV):

Y' = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cb = -0.169R - 0.331G + 0.500B + 128
Cr = 0.500R - 0.419G - 0.081B + 128

BT.709 (HDTV):

Y' = 0.2126R + 0.7152G + 0.0722B
Cb = -0.1146R - 0.3854G + 0.5000B + 128
Cr = 0.5000R - 0.4542G - 0.0458B + 128

BT.2020 (UHDTV):

Y' = 0.2627R + 0.6780G + 0.0593B
Cb = -0.1396R - 0.3604G + 0.5000B + 128
Cr = 0.5000R - 0.4598G - 0.0402B + 128

[Практическое применение в qvidcap]

Для SDTV контента:

$ qvidcap --ycbcr-enc=601

Для HDTV контента:

$ qvidcap --ycbcr-enc=709

Для 4K HDR:

$ qvidcap --ycbcr-enc=bt2020

Полная настройка для HDTV:

$ qvidcap \
    --ycbcr-enc=709 \
    --colorspace=709 \
    --xfer-func=709 \
    --output=hdtv_capture.avi

[Цветовые охваты (Gamut)]

Сравнение охватов:

- BT.601: наименьший охват (~72% NTSC)
- BT.709: больше 601 (~80% NTSC)
- BT.2020: самый широкий (~99% DCI-P3)

[Совместимость с разрешениями]

[Проверка текущих настроек]

В v4l2-ctl:

$ v4l2-ctl --get-fmt-video

Или детальная информация:

$ v4l2-ctl --all | grep -i "ycbcr\|encoding"

[Важность правильного выбора]

Последствия неправильного выбора:

- Неправильные цвета (сдвиг оттенков)
- Потеря деталей в цветности
- Некорректное сжатие
- Проблемы совместимости с устройствами воспроизведения

[Примеры использования]

Захват с камеры наблюдения (SD):

$ qvidcap --ycbcr-enc=601 --size=720x576

Захват с HD камеры:

$ qvidcap --ycbcr-enc=709 --size=1920x1080

Захват HDR контента:

$ qvidcap --ycbcr-enc=bt2020 --xfer-func=smpte2084

Связь с другими параметрами. Обычно используется вместе (согласованная настройка для HDTV):

$ qvidcap \
    --ycbcr-enc=709 \        # Кодирование цветности
    --colorspace=709 \       # Цветовое пространство
    --xfer-func=709 \        # Функция передачи
    --quantization=lim_range # Диапазон квантования

Frame (кадр) и Field (поле) - два разных способа представления видео, связанные с чересстрочной разверткой (interlacing).

[Основные понятия]

Frame (кадр):

- Полное изображение в определенный момент времени
- Содержит все строки развертки
- Прогрессивная развертка (progressive)
- Пример: 1080p, 720p

Field (поле):

- Половина кадра - только четные или нечетные строки
- Чересстрочная развертка (interlaced)
- Два поля составляют один полный кадр
- Пример: 1080i, 576i

Прогрессивный кадр (Frame):

Строка 1: ██████████████

Строка 2: ██████████████

Строка 3: ██████████████

Строка 4: ██████████████
...

Чересстрочные поля (Fields):

Поле 1 (нечетные строки):

Строка 1: ██████████████

Строка 3: ██████████████

Строка 5: ██████████████
...

Поле 2 (четные строки):

Строка 2: ██████████████

Строка 4: ██████████████

Строка 6: ██████████████
...

Для Frame полная частота кадров: 25/30/50/60 fps, каждый кадр содержит полное изображение. Для Field частота полей 50/60 полей в секунду. Каждое поле - половина изображения, но с удвоенной следования.

Могут быть проблемы при неправильном понимании этих терминов. Если перепутать:

- Установка высоты поля вместо кадра: разрешение будет в 2 раза меньше.
- Неправильный деинтерлейсинг: "гребенка" на движущихся объектах.
- Потеря четкости: неправильное масштабирование.

[Практическое значение в v4l2-ctl]

Устанавливает полную высоту кадра (все строки):

$ v4l2-ctl --set-fmt-video=width=1920,height=1080

Или через отдельный параметр:

$ v4l2-ctl --height=1080

Что НЕ делает эта команда: она не устанавливает высоту поля. НЕ работает:

$ v4l2-ctl --height=540  # для поля 1080i

Примеры разрешений для прогрессивных форматов (Frame).

720p - кадр 1280×720:

$ v4l2-ctl --width=1280 --height=720

1080p - кадр 1920×1080:

$ v4l2-ctl --width=1920 --height=1080

Для чересстрочных форматов (Field).

1080i - кадр 1920×1080 состоит из двух полей по 1920×540, но устанавливается ВСЯ высота кадра:

$ v4l2-ctl --width=1920 --height=1080

[Определение типа развертки]

Проверка в v4l2-ctl:

$ v4l2-ctl --get-fmt-video

Пример вывода:

Pixel Format: 'YUYV'
Width/Height: 1920/1080
Field: Interlaced  # или: Field: None (для progressive)

Просмотр всех форматов:

$ v4l2-ctl --list-formats-ext

[Работа с полями в программировании]

V4L2 API (язык C):

struct v4l2_format fmt = {0};
fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE;

// Для прогрессивного видео
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_NONE;

// Для чересстрочного видео
fmt.fmt.pix.field = V4L2_FIELD_INTERLACED;

[Современные тенденции]

Переход от Field к Frame:

- Чересстрочная развертка (Field) - устаревающий стандарт
- Прогрессивная развертка (Frame) - современный стандарт
- HDTV и UHDTV используют в основном прогрессивную развертку

Причины перехода:

- Лучшее качество при быстром движении
- Проще обработка и сжатие
- Совместимость с LCD/OLED дисплеями

[Практические примеры]

Захват прогрессивного видео 1080p60 - 60 полных кадров в секунду:

$ v4l2-ctl --set-fmt-video=width=1920,height=1080,pixelformat=YUYV
$ v4l2-ctl --set-parm=60

Захват чересстрочного видео, 1080i50 - 50 "полукадров" (полей) в секунду. Поле автоматически определяется как INTERLACED:

$ v4l2-ctl --set-fmt-video=width=1920,height=1080,pixelformat=YUYV

Указание `--height` устанавливает полную высоту кадра, независимо от того, является ли видео прогрессивным или чересстрочным. Для чересстрочного видео это означает, что каждое поле будет иметь высоту в 2 раза меньше.