Co to jest 4: 4: 4, 4: 2: 2 i 4: 2: 0 lub kolor podpróbkowania

Możliwe, że w pewnym momencie usłyszałeś o terminach luminancja i chrominancja, chociaż nie rozumiesz dokładnie, co oznaczają te pojęcia ani jakie były ich specyficzne funkcje. Oba terminy są również używane, gdy potrzebne jest podpróbkowanie lub podpróbkowanie kolorów.

Gdy odczytywane są zestawy cyfr 4: 4: 4, 4: 2: 2 i 4: 2: 0, oznacza to, że poprzez te zapisy wyrażana jest formuła wideo związana z podpróbkowaniem barwy (zwanym również podpróbkowaniem chrominancji).. Te kombinacje liczb można znaleźć na zdjęciach i filmach, dlatego trzeba wiedzieć, do czego służą.

Przed analizą tych zapisów należy wziąć pod uwagę, że zarówno zawartość zdjęć, jak i filmów powoduje spowolnienie ich dystrybucji, związane z ograniczeniami oferowanymi przez łącza szerokopasmowe.

W tym scenariuszu i w celu osiągnięcia większej prędkości kompresji i transferu treści audiowizualnych stosuje się podpróbkowanie chrominancji, szeroko stosowane w różnych formatach treści, takich jak dyski Blu-ray i usługi przesyłania strumieniowego.

Indeks treści

Co to jest podpróbkowanie lub podpróbkowanie barwy?

Podpróbkowanie chromatyczne (podpróbkowanie kolorów) to technika, w której informacja o kolorze zawarta w sygnale jest kompresowana w celu sprzyjania informacjom zawartym w luminancji. W ten sposób przepustowość jest zmniejszona, ale bez wpływu na jakość tego skompresowanego obrazu.

Kilka lat temu, wraz z wprowadzeniem cyfrowego wideo, filmy ważyły ​​mocno, co utrudnia ich przesyłanie i przechowywanie. Próbując znaleźć rozwiązanie tych problemów z wielkością, doszło do podpróbkowania chrominancji.

Jeśli zbadamy skład całego cyfrowego wideo, znajdziemy dwa główne składniki, które nazywamy luminancją i chrominancją.

Pierwszy termin, który znamy również jasność lub kontrast, obejmuje wszystkie różnice, jakie widzimy między najciemniejszymi i najjaśniejszymi obszarami wideo.

Ze swojej strony chrominancja jest składnikiem nasycenia kolorów wideo. Ponieważ wizja człowieka ma większą wrażliwość na kontrast (luminancję) niż na nasycenie kolorów (chrominancja), zdecydowano, że część filmu można skompresować bez wpływu na jego jakość.

Dlatego, aby ułatwić cyfrowe zarządzanie wideo, zastosowano technikę kompresji. Oznacza to, że prawdziwie kolorowy sygnał wideo (4: 4: 4), w którym znajdujemy wszystkie informacje o kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim w każdym pikselu, zostanie skompresowany, jeśli zastosowane zostanie podpróbkowanie chromatyczne, dzięki czemu jego transfer jest jaśniejszy i wymaga mniejszej przepustowości, gdy kolor został już usunięty.

Po skompresowaniu obrazu jakość czerni i bieli nie będzie niższa niż jakość kolorów, ponieważ, jak wskazano, ludzkie widzenie ma mniejszą zdolność do asymilacji chrominancji. W ten sposób po podpróbkowaniu wideo będzie miało większą luminancję niż informacje o chrominancji.

Dzięki temu możliwe jest utrzymanie jakości obrazu, przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu jego rozmiaru nawet o 50%. W niektórych formatach, takich jak YUV, luminancja osiąga tylko jedną trzecią całości, więc istnieje szeroki margines, aby zmniejszyć chrominancję, a tym samym osiągnąć większą kompresję.

Biorąc pod uwagę, że istnieją pewne ograniczenia prędkości, które stanowią szerokie pasma Internetu i HDMI, na przykład ta kompresja pozwala na przesyłanie cyfrowego wideo z większą wydajnością.

Zarówno monitory CRT, LCD, jak i urządzenia ze sprzężonym ładowaniem (CCD) wykorzystują komponenty do przechwytywania kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego. Jednak w cyfrowym wideo rozróżnia się lumę i barwę, aby umożliwić kompresję i lżejsze przesyłanie.

Istnieje kilka metod podpróbkowania barwy, które wykorzystują różne notacje, które krótko wyjaśnimy, zauważając, że pierwsza liczba dotyczy lumy, a druga i trzecia liczba to barwy.

Podpróbkowanie kolorów / metody podpróbkowania

4: 4: 4

Jest to pełna i oryginalna rozdzielczość, w której nie występuje żadna kompresja, z pierwszą liczbą wskazującą luminancję (4) i dwiema następującymi liczbami (4: 4) użytymi dla składników barwy Cb i Cr. 4: 4: 4 jest powszechnie używany do obrazów RGB, chociaż jest również używany do przestrzeni kolorów YCbCr.

4: 2: 2

W pierwszym numerze widzimy pełną rozdzielczość lumy, podczas gdy widzimy połowę rozdzielczości dla chrominancji. Ta notacja jest standardem w obrazach i zapewnia kompresję, która nie wpływa na jakość obrazu. Służy m.in. do formatów DVCpro50 i Betacam Digital.

4: 1: 1

Ponownie mamy lumę w pełnej rozdzielczości, a teraz mamy jeszcze mniej chrominancji - zaledwie jedną czwartą. Jest to schemat podpróbkowania wykorzystywany przez formaty NTSC DV i PAL DVCPro.

4: 2: 0

Zapis ten wskazuje, że rozdzielczość lumy jest kompletna (4), podczas gdy ma ona połowę rozdzielczości w kierunku pionowym i poziomym dla składników barwy. W rzeczywistości 4: 2: 0 jest dość trudnym próbkowaniem kolorów, które obejmuje wiele odmian, biorąc pod uwagę, czy wideo jest z przeplotem lub progresywne, czy też jest używane przez MPEG2 lub PAL DV.

Dzięki próbkowaniu 4: 2: 0 otrzymujesz rozdzielczość 1/4 koloru, podobnie jak próbkowanie 4: 1: 1. Jednak w pierwszym przypadku kolor jest kompresowany poziomo i pionowo, natomiast w drugim zapisie kompresja jest pozioma.

Subpróbkowanie kolorów 1920 x 1080

Po Analog HDTV pojawiła się cyfrowa HDTV, technologia wyższej jakości i rozdzielczości. Jednak stanowiło to również duże wyzwanie dla inżynierów, ponieważ musieli stworzyć formę, która umożliwiła zastosowanie tej nowej technologii w obecnych wówczas systemach, głównie PAL i NTSC.

W związku z tym wszystkie wysiłki musiały być ukierunkowane na umożliwienie kompatybilności między PAL i NTSC. Nowy standard HDTV musiał być zgodny zarówno z PAL, jak i NTSC.

Odmiany, których ten standard doświadczał przez lata, były liczne, aż ostatecznie ustalono je na 1125 linii pionowych, z czego 1080 dotyczy wyłącznie obrazu. W tym czasie maksymalna szybkość dla 1080 wynosiła 29, 97 fps (NTSC), podczas gdy dla 720 wynosiła 59, 94 fps (NTSC).

Oto niektóre z najczęściej używanych wartości podpróbkowania chromatycznego w różnych popularnych cyfrowych formatach wideo:

• HDCAM: 3: 1: 1 NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0 Wideo w Internecie: 4: 2: 0 Jakość transmisji HDTV: 4: 2: 2 Nieskompresowany (pełna informacja): 4: 4: 4: 4

Czy podpróbkowanie 3: 1: 1 jest lepsze niż 4: 2: 2?

W starym formacie HDCAM 1080p zastosowano 3: 1: 1, a rozdzielczość 720p miała i nadal ma podpróbkowanie 4: 2: 2. Ale który z nich był najlepszy?

Jeśli opieramy się tylko na danych, jest to prosta odpowiedź: 4: 2: 2 to dwa razy 3: 1: 1 pod względem próbkowania kolorów, więc moglibyśmy jasno stwierdzić, że najlepszym w tym przypadku jest 4: 2: 2.

Jednak nie może to być absolutna odpowiedź, ponieważ rozmiar obrazu nie jest uwzględniany w notacjach 4x4 próbkowania kolorów.

Który z tych zapisów jest lepszy? Obraz, który zawiera wiele informacji o kolorze lub inny z mniejszą ilością informacji, ale z lepszym kolorem próbki? Nie ma jednoznacznej odpowiedzi.

Celem tej analizy było, aby zobaczyć, że obraz ma znacznie więcej informacji i złożoność jako tło niż to, co jest pozornie widoczne.

Oczywiście zawsze należy pamiętać, że wykorzystujemy próbkę obrazu o proporcjach 4: 4: 4, ponieważ jest to kompletna notacja, w której uzyskuje się najlepszą częstotliwość próbkowania.

Podpróbkowanie 4: 4: 4 vs 4: 2: 2 vs 4: 2: 0

Liczba 4, która jest pierwszą liczbą od lewej, wskazuje wielkość próbki.

Jeśli chodzi o dwie liczby, które poprzedzają to, są one powiązane z informacjami o barwie. Zależą one od pierwszej liczby (4) i są odpowiedzialne za określenie odpowiednio poziomego i pionowego próbkowania.

Obraz ze składnikiem kolorów 4: 4: 4: 4 nie jest w ogóle kompresowany, co oznacza, że ​​nie został poddany próbkowaniu częściowemu, a zatem w pełni zawiera dane dotyczące luminancji i kolorów.

Analizując matrycę cztery na dwa piksele, widzimy, że 4: 2: 2 zawiera połowę barwy, którą znajdujemy w sygnale 4: 4: 4, podczas analizy matrycy 4: 2: 0 widzimy, że zawiera jeszcze mniej: tylko kolorowy pokój informacji.

Pozioma częstotliwość próbkowania dla sygnału 4: 2: 2 będzie wynosić tylko połowę (2), podczas gdy jego pionowe próbkowanie będzie pełne (4). Natomiast w przypadku sygnału 4: 2: 0 próbkowanie kolorów odbywa się tylko w połowie pikseli w pierwszym rzędzie, całkowicie ignorując piksele w drugim rzędzie sygnału.

Obliczanie wielkości danych z podpróbkowania

Istnieje dość prosta kalkulacja, dzięki której możemy dokładnie wiedzieć, ile informacji traci się po uzyskaniu podpróbkowanego koloru. Obliczenia są następujące:

Jak już wskazaliśmy, maksymalna jakość próbki wynosi 4 + 4 + 4 = 12

Oznacza to, że obraz w pełnym kolorze to 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, gdzie znajdujemy 100% jakości, bez żadnej kompresji. Od tego momentu jakość próbki może się różnić w następujący sposób:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, co stanowi 66, 7% z 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, co stanowi 50% 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, co stanowi 50% z 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, co stanowi 42% 4: 4: 4 (12)

Dlatego jeśli sygnał w pełnym kolorze 4: 4: 4 ma rozmiar 24 MB, oznacza to, że sygnał 4: 2: 2 będzie miał około 16 MB, podczas gdy sygnał 4: 2: 0 Będzie miał rozmiar 12 MB, a sygnał 3: 1: 1 wyniesie 10 MB.

Dzięki temu możemy już zrozumieć, dlaczego podpróbkowanie chromatyczne jest tak ważne i nadal istnieje. W sektorach takich jak Internet i telewizja jest to niezbędne, ponieważ zmniejsza rozmiar plików, a zatem wymaga mniejszych zasobów przepustowości.

Wniosek dotyczący podpróbkowania

Dzięki podpróbkowaniu chromatycznemu możemy kompresować plik obrazu, aby w ten sposób zmniejszyć jego rozmiar. Dzięki temu osiągnięto to, że wymagana jest mniejsza szerokość pasma do jego transmisji, bez utraty jakości obrazu gołym okiem. Oznacza to, że po podpróbkowaniu kolorów lub podpróbkowaniu, żadne poważne niedoskonałości nie są zauważalne wizualnie.

Obecnie próbka 4: 2: 0 jest niezbędna dla platform treści audiowizualnych, więc bez tej techniki kompresji z pewnością dostęp do usług takich jak treści 4K z Amazon i Netflix byłby znacznie trudniejszy i droższy.

Źródło Wikipedii