Hva er 4: 4: 4, 4: 2: 2 og 4: 2: 0 eller underprøver farge

Det er mulig at du på et tidspunkt har hørt om begrepene luminance og krominans, selv om du ikke har forstått nøyaktig hva disse begrepene betydde eller hva deres spesifikke funksjoner var. Begge begrepene brukes også når det er behov for delprøver eller delprøver av farger.

Når settene 4: 4: 4, 4: 2: 2 og 4: 2: 0 leses, betyr det at gjennom disse notasjonene uttrykkes en videoformel relatert til chroma subsampling (også kalt chrominance subsampling).. Disse tallkombinasjonene finner du i bilder og videoer, det er derfor det er nødvendig å vite hva de er til.

Før du analyserer disse notasjonene, må det tas i betraktning at både innholdet i bilder og i videoer gjør at distribusjonen avtar, relatert til grensene som bredbånd tilbyr.

I dette scenariet, og for å oppnå større komprimering og overføringshastighet i audiovisuelt innhold, brukes chrominance-underampling, mye brukt i forskjellige innholdsformater, for eksempel Blu-ray-plater og streamingtjenester.

Innholdsindeks

Hva er chroma subsampling eller subsampling?

Kromatisk underampling (fargeundersampling) er en teknikk der fargeinformasjonen i et signal komprimeres for å favorisere informasjonen som er inneholdt i lysstyrken. På denne måten reduseres båndbredden, men uten å påvirke kvaliteten på dette komprimerte bildet.

For flere år siden, med introduksjonen av digital video, veide videoene tungt, noe som gjorde det vanskelig å overføre og lagre dem. Ved å prøve å finne en løsning på disse størrelsesproblemene, ble chrominance-underamplingen kommet til.

Hvis vi undersøker sammensetningen av all digital video, vil vi finne to hovedkomponenter som vi kaller luminans og krominans.

Det første begrepet, som vi også kjenner lysstyrke eller kontrast, omfatter alle forskjellene vi ser mellom de mørkeste og lyseste områdene i videoen.

På sin side er krominansen komponenten i fargemetningen på videoen. Fordi synet på et menneske har mer følsomhet for kontrast (luminans) enn for fargemetning (krominans), ble det bestemt at det var en del av videoen som kunne komprimeres uten å påvirke dens kvalitet.

For å gjøre digital videostyring enklere ble komprimeringsteknikken implementert. Dette betyr at et ekte fargesvideosignal (4: 4: 4) der vi finner all informasjon om rødt, grønt og blått i hver piksel, dette vil bli komprimert hvis kromatisk undersampling blir brukt, noe som gjør det til overføringen er lettere og den krever mindre båndbredde når fargen allerede er fjernet.

Når bildet er komprimert, vil kvaliteten på svart og hvitt ikke være mindre enn kvaliteten på fargene, siden menneskets syn, som antydet, har mindre kapasitet til å assimilere krominans. På denne måten, etter subsampling, vil videoen ha mer luminans enn krominansinformasjon.

Med dette er det mulig å opprettholde kvaliteten på bildet mens du gjør en betydelig reduksjon i størrelsen med opptil 50%. I noen formater som YUV når luminansmengden bare en tredjedel av totalen, så det er en bred margin for å redusere krominans og dermed oppnå større kompresjon.

Når man tar hensyn til at det er visse begrensninger i hastighetene som utgjør det brede båndet av internett og HDMI, for eksempel oppnår denne komprimeringen at en digital video kan overføres med større effektivitet.

Både CRT-skjermer, LCD-skjermer og ladekoblede enheter (CCD) bruker komponenter for å fange røde, grønne og blå farger. Imidlertid skilles det i en digital video mellom luma og kroma bare for å kunne lage en kompresjon og gjøre den lettere for overføring.

Det er flere chroma-underprøvningsmetoder som bruker forskjellige notasjoner som vi kort vil forklare, og merke at det første tallet er for luma og det andre og tredje tallet er for kroma.

Underprøvningsmetoder for farge / delprøver

4: 4: 4

Dette er den fullstendige og originale oppløsningen, der det ikke er noen komprimering av noe slag, med det første tallet som indikerer luminansen (4) og de følgende to tallene (4: 4) som brukes for Cb og Cr kroma komponenter. 4: 4: 4 brukes ofte til RGB-bilder, selv om de også brukes til YCbCr-fargerommet.

4: 2: 2

I den første utgaven ser vi en full oppløsning av lumaen, mens vi ser en halv oppløsning for krominansen. Denne notasjonen er standarden i bilder og har en komprimering som ikke påvirker bildekvaliteten. Det brukes blant annet til DVCpro50 og Betacam Digital videoformater.

4: 1: 1

Igjen, vi har en full oppløsning luma, mens vi nå har enda mindre krominans - bare et kvarter. Dette er underprøvningsskjemaet som brukes av NTSC DV og PAL DVCPro-formatene.

4: 2: 0

Denne notasjonen indikerer at oppløsningen til lumaen er fullstendig (4), mens den har en halv oppløsning i vertikal og horisontal retning for kromkomponentene. Egentlig er 4: 2: 0 en ganske vanskelig fargeprøvetaking som inkluderer mange varianter med tanke på om videoen er sammenflettet eller progressiv, eller om den brukes av MPEG2 eller PAL DV.

Med denne 4: 2: 0-prøvetakingen får du en 1/4 fargeløsning, akkurat som 4: 1: 1-prøvetaking. I det første tilfellet komprimeres imidlertid fargen horisontalt og vertikalt, mens i den andre notasjonen komprimeringen er horisontal.

1920 x 1080 fargemasseeksempel

Analog HDTV ble fulgt av digital HDTV, en teknologi med høyere kvalitet og oppløsning. Imidlertid ga det også en stor utfordring for ingeniørene, siden de måtte lage en form som gjorde det mulig for denne nye teknologien å bli brukt i systemene som var til stede på det tidspunktet, hovedsakelig PAL og NTSC.

Følgelig måtte all innsats rettes mot å muliggjøre kompatibilitet mellom PAL og NTSC. Den nye HDTV-standarden måtte være kompatibel for både PAL og NTSC, blant hovedfunksjonene.

Variasjonene som denne standarden led under årene var mange, helt til den endelig ble satt til 1125 vertikale linjer, med 1080 av disse utelukkende dedikert til bildet. På den tiden var den maksimale hastigheten for 1080 29, 97 fps (NTSC), mens den for 720 var 59, 94 fps (NTSC).

Dette er noen av de mest brukte kromatiske underamplingverdiene i de forskjellige populære digitale videoformatene:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0Internettvideo: 4: 2: 0HDTV Overføringskvalitet: 4: 2: 2 Ukomprimert (full informasjon): 4: 4: 4: 4

Er en 3: 1: 1 subsampling bedre enn 4: 2: 2?

I det gamle 1080p HDCAM-formatet ble 3: 1: 1 brukt, mens 720p-oppløsningen hadde og fremdeles har 4: 2: 2-undersampling. Men hvilken av disse var best?

Hvis vi bare baserer oss på dataene, er det et enkelt svar: 4: 2: 2 er to ganger 3: 1: 1 når det gjelder fargeprøvetaking, så vi kunne tydelig si at det beste i dette tilfellet er 4: 2: 2.

Dette kan imidlertid ikke være et absolutt svar, siden størrelsen på bildet ikke blir vurdert i 4 × 4-notasjonene til fargeprøven.

Så hvilken av disse notasjonene er bedre? Et bilde som inneholder mye fargeinformasjon eller et annet med mindre informasjon, men med en bedre prøvefarge? Det er ikke noe klart svar.

Intensjonen med denne analysen var at vi skulle se at et bilde har mye mer informasjon og kompleksitet som bakgrunn enn det som er overflatisk sett.

Husk selvfølgelig alltid på at vi bruker et utvalg av et bilde ved 4: 4: 4, siden dette er en fullstendig notasjon der den beste samplingsfrekvensen oppnås.

Subsampling 4: 4: 4 vs 4: 2: 2 vs 4: 2: 0

Tallet 4, som er det første tallet fra venstre, indikerer størrelsen på prøven.

Når det gjelder de to tallene som går foran dette, er de relatert til kromainformasjonen. Disse avhenger av det første tallet (4) og er ansvarlige for å definere henholdsvis den horisontale og vertikale prøvetakingen.

Et bilde med en 4: 4: 4: 4-fargekomponent er ikke komprimert i det hele tatt, noe som betyr at den ikke ble undersamplet og derfor inneholder luminans- og fargedata fullt ut.

Ved å analysere en fire-to-pikselmatrise ser vi at 4: 2: 2 inneholder halve kroma som vi finner i et 4: 4: 4-signal, mens vi analyserer en 4: 2: 0-matrise ser vi at den inneholder enda mindre: bare et fargeinformasjonsrom.

Den horisontale samplingshastigheten på et 4: 2: 2-signal vil bare være halvparten (2), mens dets vertikale sampling er full (4). I kontrast til det i et 4: 2: 0-signal er det bare fargeprøvetaking i halvparten av pikslene i den første raden, og ignorerer pikslene i signalets andre rad fullstendig.

Beregner størrelsen på underamplingdataene

Det er en ganske enkel beregning som vi kan vite nøyaktig hvor mye informasjon som går tapt etter å ha fått underprøvet farge. Beregningen er som følger:

Som vi allerede har indikert, er maksimal kvalitet for en prøve 4 + 4 + 4 = 12

Dette betyr at et bilde med full farge er 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, hvor vi finner 100% kvalitet, uten komprimering. Fra dette tidspunktet kan kvaliteten på en prøve variere som følger:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, som er 66, 7% av 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, som er 50% av 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, som er 50% av 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, som er 42% av 4: 4: 4 (12)

Derfor, hvis et 4: 4: 4-fargesignal er 24 MB i størrelse, betyr det at et 4: 2: 2-signal vil være omtrent 16 MB i størrelse, mens et 4: 2: 0-signal Det vil være 12 MB i størrelse og et 3: 1: 1 signal vil være 10 MB.

Med dette kan vi allerede forstå hvorfor kromatisk subsampling er så viktig og fortsetter å eksistere. For sektorer som internett og TV er det viktig fordi det reduserer størrelsen på filene og derfor krever mindre båndbredde.

Konklusjon om subsampling

Med kromatisk subsampling kan vi komprimere en bildefil for å redusere størrelsen på denne måten. Med dette oppnås det at mindre båndbredde er nødvendig for å overføre den, uten å miste kvaliteten på bildet med det blotte øye. Dette betyr at etter fargeundampling eller delprøveing, ikke er noen større ufullkommenheter synlig.

Foreløpig er prøven 4: 2: 0 viktig for plattformer for audiovisuelt innhold, så uten denne komprimeringsteknikken ville det sikkert vært mye vanskeligere og dyrere å få tilgang til tjenester som 4K-innhold fra Amazon og Netflix.

Wikipedia-kilde