Co je 4: 4: 4, 4: 2: 2 a 4: 2: 0 nebo barva podvzorku

Je možné, že jste v určitém okamžiku slyšeli o výrazech jas a chrominancování, i když jste nerozuměli přesně, co tyto pojmy znamenají nebo jaké byly jejich konkrétní funkce. Oba výrazy se používají také v případě, že je třeba převzorkování nebo převzorkování barev.

Když jsou čteny číselné sady 4: 4: 4, 4: 2: 2 a 4: 2: 0, znamená to, že prostřednictvím těchto zápisů je vyjádřen obrazec videa vztahující se k podvzorkování chroma (nazývanému také podvzorkování chrominancí).. Tyto kombinace čísel lze nalézt na fotografiích a videích, proto je nutné vědět, pro co jsou.

Před analýzou těchto zápisů je třeba vzít v úvahu, že jak obsah na fotografiích, tak ve videích způsobuje zpomalení jejich distribuce, související s limity nabízenými širokopásmovým připojením.

V tomto scénáři a pro dosažení větší kompresní a přenosové rychlosti v audiovizuálním obsahu se používá vzorkování chrominancí, široce používané v různých formátech obsahu, jako jsou disky Blu-ray a služby streamování.

Index obsahu

Co je podvzorkování nebo podvzorkování chroma?

Chromatické podvzorkování (podvzorkování barev) je technika, pomocí které jsou barevné informace obsažené v signálu komprimovány, aby upřednostňovaly informace obsažené v jasu. Tímto způsobem je šířka pásma snížena, aniž by to však ovlivnilo kvalitu tohoto komprimovaného obrazu.

Před několika lety, se zavedením digitálního videa, videa vážila vážně, takže je obtížné je přenášet a ukládat. Při pokusu o nalezení řešení těchto problémů s velikostí došlo k podvzorkování chrominancí.

Pokud prozkoumáme složení veškerého digitálního videa, najdeme dvě hlavní složky, které nazýváme jas a chrominanci.

První termín, který také známe jasem nebo kontrastem, zahrnuje všechny rozdíly, které vidíme mezi nejtemnějšími a nejsvětlejšími oblastmi videa.

Chrominance je součástí barevné saturace videa. Protože vize lidské bytosti má větší citlivost na kontrast (jas) než na sytost barev (chrominance), bylo rozhodnuto, že existuje část videa, kterou lze komprimovat, aniž by to ovlivnilo její kvalitu.

Proto byla pro usnadnění správy digitálního videa implementována technika komprese. To znamená, že skutečný barevný video signál (4: 4: 4), ve kterém najdeme všechny informace o červené, zelené a modré v každém pixelu, bude komprimován, pokud se použije chromatické podvzorkování, což z něj učiní jeho přenos je lehčí a vyžaduje menší šířku pásma, když již byla barva odstraněna.

Jakmile je obraz komprimován, kvalita černé a bílé nebude nižší než kvalita barev, protože, jak je uvedeno, lidské vidění má menší schopnost asimilovat chrominanci. Tímto způsobem bude mít video po převzorkování více jasu než chrominanční informace.

Díky tomu je možné zachovat kvalitu obrazu a současně výrazně snížit jeho velikost až o 50%. V některých formátech, jako je YUV, dosahuje intenzita jasu pouze třetinu z celkového počtu, takže existuje velká rezerva pro snížení chrominancí a tím dosažení větší komprese.

Vzhledem k tomu, že existují určitá omezení v rychlosti, která tvoří široká pásma internetu a HDMI, dosahuje tato komprese, že digitální video lze přenášet s větší účinností.

Monitory CRT, LCD a nabíjecí zařízení (CCD) používají komponenty k zachycení červené, zelené a modré barvy. V digitálním videu se však rozlišuje mezi lumou a chromou, aby bylo možné provést kompresi a usnadnit přenos.

Existuje několik metod podvzorkování chroma, které používají různé zápisy, které stručně vysvětlíme, přičemž si všimneme, že první číslo je pro luma a druhé a třetí číslo pro chroma.

Metody vzorkování / vzorkování barev

4: 4: 4

Toto je úplné a originální rozlišení, ve kterém neexistuje žádná komprese jakéhokoli druhu, s prvním číslem označujícím jas (4) a následujícími dvěma čísly (4: 4) použitými pro složky Cb a Cr chroma. 4: 4: 4 se běžně používá pro obrazy RGB, i když se také používá pro barevný prostor YCbCr.

4: 2: 2

V prvním čísle vidíme plné rozlišení lumy, zatímco vidíme poloviční rozlišení chrominancí. Tento zápis je standardem v obrázcích a provádí kompresi, která neovlivňuje kvalitu obrazu. Používá se mimo jiné pro digitální video formáty DVCpro50 a Betacam Digital.

4: 1: 1

Znovu máme luma s plným rozlišením, zatímco nyní máme ještě méně chrominancí - jen čtvrtinu. Toto je schéma vzorkování používané formáty NTSC DV a PAL DVCPro.

4: 2: 0

Tento zápis ukazuje, že rozlišení lumy je úplné (4), zatímco pro složky chroma má poloviční rozlišení ve svislém a vodorovném směru. Ve skutečnosti je 4: 2: 0 docela obtížné vzorkování barev, které zahrnuje mnoho variací zvažujících, zda je video prokládané nebo progresivní, nebo zda je používáno MPEG2 nebo PAL DV.

S tímto vzorkováním 4: 2: 0 získáte rozlišení 1/4, stejně jako vzorkování 4: 1: 1. V prvním případě je však barva komprimována horizontálně a vertikálně, zatímco ve druhém zápisu je komprese horizontální.

Vzorkování barev 1920 x 1080

Po analogovém HDTV následovala digitální HDTV, technologie vyšší kvality a rozlišení. Pro inženýry to však také znamenalo velkou výzvu, protože museli vytvořit formu, která umožnila použití této nové technologie v tehdejších systémech, zejména PAL a NTSC.

V důsledku toho muselo být veškeré úsilí zaměřeno na umožnění kompatibility mezi PAL a NTSC. Nový standard HDTV musel být mezi hlavními rysy kompatibilní pro PAL i NTSC.

Variace, které tento standard v průběhu let utrpěl, bylo mnoho, dokud nebyl nakonec stanoven na 1125 svislých čar, přičemž 1080 z nich bylo věnováno výhradně obrázku. V té době byla maximální rychlost pro 1080 29, 97 fps (NTSC), zatímco u 720 to bylo 59, 94 fps (NTSC).

Toto jsou některé z nejpoužívanějších hodnot chromatických podvzorků v různých populárních formátech digitálního videa:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0Internet Video: 4: 2: 0HDTV Kvalita přenosu: 4: 2: 2 nekomprimovaná (úplné informace): 4: 4: 4: 4

Je podvzorkování 3: 1: 1 lepší než 4: 2: 2?

Ve starém formátu HDCAM 1080p byl použit 3: 1: 1, zatímco rozlišení 720p mělo a stále má podvzorkování 4: 2: 2. Ale který z nich byl nejlepší?

Pokud bychom pouze na základě údajů, je to jednoduchá odpověď: 4: 2: 2 je dvakrát 3: 1: 1, pokud jde o vzorkování barev, takže bychom mohli jasně říci, že nejlepší v tomto případě je 4: 2: 2.

Nemůže to však být absolutní odpověď, protože velikost obrázku není zohledněna v zápisech 4 × 4 vzorku barev.

Který z těchto zápisů je tedy lepší? Obrázek, který obsahuje mnoho barevných informací nebo jiný s méně informacemi, ale s lepší vzorkovací barvou? Neexistuje jasná odpověď.

Záměrem této analýzy bylo, abychom viděli, že obraz má mnohem více informací a složitost jako pozadí, než to, co je povrchně vidět.

Samozřejmě, vždy s ohledem na to, že používáme vzorek obrazu ve 4: 4: 4, protože se jedná o kompletní zápis, ve kterém se získá nejlepší vzorkovací frekvence.

Převzorkování 4: 4: 4 vs. 4: 2: 2 vs. 4: 2: 0

Číslo 4, které je prvním číslem zleva, označuje velikost vzorku.

Pokud jde o dvě čísla, která tomu předcházejí, souvisí s chroma informacemi. Ty závisí na prvním čísle (4) a odpovídají za definování horizontálního a vertikálního vzorkování.

Obrázek s barevnou složkou 4: 4: 4: 4 není komprimován vůbec, což znamená, že nebyl odebrán vzorek, a proto plně obsahuje údaje o jasu a barvě.

Při analýze matice 4 × 2 pixelů vidíme, že 4: 2: 2 obsahuje polovinu chroma, kterou najdeme v signálu 4: 4: 4, zatímco při analýze matice 4: 2: 0 vidíme, že obsahuje ještě méně: pouze místnost s informacemi o barvě.

Horizontální vzorkovací frekvence na signálu 4: 2: 2 bude pouze polovina (2), zatímco vertikální vzorkování bude plné (4). Naproti tomu v signálu 4: 2: 0 je vzorkování barev pouze v polovině pixelů v prvním řádku, přičemž zcela ignoruje pixely v druhém řádku signálu.

Výpočet velikosti podvzorkovacích dat

Existuje poměrně jednoduchý výpočet, pomocí kterého můžeme přesně vědět, kolik informací se ztratí poté, co byla vybrána barva vzorku. Výpočet je následující:

Jak jsme již naznačili, maximální kvalita vzorku je 4 + 4 + 4 = 12

To znamená, že obraz s plnou barvou je 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, kde najdeme 100% kvalitu, bez jakékoli komprese. Od tohoto okamžiku se kvalita vzorku může lišit takto:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, což je 66, 7% ze 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, což je 50% 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, což je 50% ze 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, což je 42% ze 4: 4: 4 (12)

Pokud tedy má barevný signál 4: 4: 4 velikost 24 MB, znamená to, že signál 4: 2: 2 bude mít velikost přibližně 16 MB, zatímco signál 4: 2: 0 Bude mít velikost 12 MB a signál 3: 1: 1 bude 10 MB.

Díky tomu už můžeme pochopit, proč je chromatické podvzorkování tak důležité a stále existuje. Pro odvětví, jako je internet a televize, je to nezbytné, protože zmenšuje velikost souborů, a proto vyžaduje méně prostředků na šířku pásma.

Závěr o převzorkování

S chromatickým podvzorkováním můžeme tímto způsobem komprimovat obrazový soubor a zmenšit tak jeho velikost. Tím se dosáhne toho, že je pro přenos zapotřebí menší šířka pásma, aniž by pouhým okem došlo ke ztrátě kvality obrazu. To znamená, že po podvzorkování barev nebo podvzorkování nejsou vizuálně patrné žádné hlavní nedostatky.

Ukázka 4: 2: 0 je v současné době nezbytná pro platformy audiovizuálního obsahu, takže bez této techniky komprese by bylo určitě mnohem obtížnější a nákladnější přístup ke službám, jako je například obsah 4K od Amazonu a Netflixu.

Zdroj Wikipedie