Τι είναι το χρώμα 4: 4: 4, 4: 2: 2 και 4: 2: 0 ή υποδειγματοληψία

Είναι πιθανό ότι σε κάποιο σημείο έχετε ακούσει για τους όρους φωτεινότητα και χρωματισμό, αν και δεν έχετε καταλάβει ακριβώς τι εννοούσαν αυτές οι έννοιες ή ποιες ήταν οι συγκεκριμένες λειτουργίες τους. Και οι δύο όροι χρησιμοποιούνται επίσης όταν απαιτείται υποδειγματοληψία ή υποδειγματοληψία του χρώματος.

Κατά την ανάγνωση των συνόλων των αριθμών 4: 4: 4, 4: 2: 2 και 4: 2: 0 σημαίνει ότι μέσα από αυτές τις σημειώσεις εκφράζεται ένας τύπος βίντεο που σχετίζεται με την υποδειγματοληψία χρώματος (επίσης αποκαλούμενος υποδειγματοληψία χρώματος).. Αυτοί οι συνδυασμοί αριθμών μπορούν να βρεθούν σε φωτογραφίες και βίντεο, γι 'αυτό είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε για ποιο λόγο είναι.

Προτού αναλύσουμε αυτές τις σημειώσεις, πρέπει να θεωρήσουμε ότι τόσο το περιεχόμενο σε φωτογραφίες όσο και σε βίντεο προκαλεί επιβράδυνση της διανομής τους, σε σχέση με τα όρια που προσφέρει η ευρυζωνική σύνδεση.

Σε αυτό το σενάριο, και για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ταχύτητα συμπίεσης και μεταφοράς στο οπτικοακουστικό περιεχόμενο, χρησιμοποιείται υποδειγματοληψία χρωμικής, που χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες μορφές περιεχομένου, όπως δίσκοι Blu-ray και υπηρεσίες συνεχούς ροής.

Ευρετήριο περιεχομένων

Τι είναι υποδειγματοληψία ή υποδειγματοληψία χρωμάτων;

Χρωματική υποδειγματοληψία (υποδειγματοληψία χρώματος) είναι μια τεχνική με την οποία οι πληροφορίες χρώματος που περιέχονται σε ένα σήμα συμπιέζονται για να ευνοούν τις πληροφορίες που περιέχονται στη φωτεινότητα. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται το εύρος ζώνης, χωρίς όμως να επηρεάζεται η ποιότητα αυτής της συμπιεσμένης εικόνας.

Πριν από μερικά χρόνια, με την εισαγωγή του ψηφιακού βίντεο, τα βίντεο ζύγιζαν σε μεγάλο βαθμό, καθιστώντας δύσκολη τη μετάδοση και την αποθήκευση τους. Προσπαθώντας να βρούμε μια λύση σε αυτά τα προβλήματα μεγέθους, έφτασε η υποδειγματοληψία χρωμικής.

Αν διερευνήσουμε τη σύνθεση όλων των ψηφιακών βίντεο, θα βρούμε δύο βασικά συστατικά που ονομάζουμε λαμπρότητα και χρωματισμό.

Ο πρώτος όρος, τον οποίο γνωρίζουμε επίσης τη φωτεινότητα ή την αντίθεση, περιλαμβάνει όλες τις διαφορές που βλέπουμε ανάμεσα στις πιο σκοτεινές και τις πιο ανοιχτές περιοχές του βίντεο.

Από τη μεριά του, ο χρωματισμός είναι το συστατικό του κορεσμού χρώματος του βίντεο. Επειδή το όραμα ενός ανθρώπου έχει μεγαλύτερη ευαισθησία στην αντίθεση (φωτεινότητα) από τον κορεσμό χρώματος (chrominance), αποφασίστηκε ότι υπήρχε ένα μέρος του βίντεο που θα μπορούσε να συμπιέζεται χωρίς να επηρεάζεται η ποιότητά του.

Επομένως, για να διευκολυνθεί η διαχείριση ψηφιακών βίντεο, εφαρμόστηκε η τεχνική συμπίεσης. Αυτό σημαίνει ότι ένα πραγματικό έγχρωμο σήμα βίντεο (4: 4: 4) στο οποίο βρίσκουμε όλες τις πληροφορίες κόκκινου, πράσινου και μπλε σε κάθε εικονοστοιχείο, αυτό θα συμπιεστεί εάν εφαρμοστεί χρωματική υποδειγματοληψία, καθιστώντας το η μεταφορά του είναι ελαφρύτερη και απαιτεί μικρότερο εύρος ζώνης όταν το χρώμα έχει ήδη αφαιρεθεί.

Μόλις συμπιεστεί η εικόνα, η ποιότητα του ασπρόμαυρου δεν θα είναι μικρότερη από την ποιότητα των χρωμάτων, δεδομένου ότι, όπως υποδεικνύεται, η ανθρώπινη όραση έχει μικρότερη ικανότητα να αφομοιώσει τη χρωματισμό. Με αυτόν τον τρόπο, μετά από υποδειγματοληψία, το βίντεο θα έχει περισσότερη φωτεινότητα από τις πληροφορίες χρώματος.

Με αυτό είναι δυνατό να διατηρηθεί η ποιότητα της εικόνας ενώ μειώνεται σημαντικά το μέγεθός της έως και 50%. Σε ορισμένες μορφές όπως το YUV, η φωτεινότητα φθάνει μόνο το ένα τρίτο του συνόλου, οπότε υπάρχει ένα ευρύ περιθώριο για τη μείωση της χρωματισμό και, συνεπώς, την επίτευξη μεγαλύτερης συμπίεσης.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί στις ταχύτητες που συνθέτουν τις ευρείες ζώνες διαδικτύου και HDMI, για παράδειγμα, αυτή η συμπίεση επιτυγχάνει ότι ένα ψηφιακό βίντεο μπορεί να μεταδοθεί με μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα.

Και οι δύο οθόνες CRT, οι οθόνες LCD και οι συσκευές συζευγμένων με φορτιστές (CCD) χρησιμοποιούν εξαρτήματα για τη λήψη κόκκινου, πράσινου και μπλε χρώματος. Ωστόσο, σε ένα ψηφιακό βίντεο γίνεται διάκριση μεταξύ luma και chroma μόνο για να είναι σε θέση να κάνει μια συμπίεση και να γίνει ελαφρύτερο για μετάδοση.

Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι υποδειγματοληψίας χρωμάτων που χρησιμοποιούν διαφορετικές σημειώσεις που σύντομα θα εξηγήσουμε, σημειώνοντας ότι ο πρώτος αριθμός είναι για το luma και ο δεύτερος και τρίτος αριθμός είναι για chroma.

Μέθοδοι υποδειγματοληψίας / υποδειγματοληψίας χρώματος

4: 4: 4

Αυτή είναι η πλήρης και αρχική ανάλυση, στην οποία δεν υπάρχει συμπίεση οποιουδήποτε είδους, με τον πρώτο αριθμό να δείχνει τη φωτεινότητα (4) και τους ακόλουθους δύο αριθμούς (4: 4) που χρησιμοποιούνται για τα συστατικά χρώματος Cb και Cr. 4: 4: 4 χρησιμοποιείται συνήθως για εικόνες RGB, αν και χρησιμοποιείται επίσης για το χώρο χρώματος YCbCr.

4: 2: 2

Στο πρώτο τεύχος βλέπουμε μια πλήρη ανάλυση του luma, ενώ βλέπουμε ένα μισό ψήφισμα για την chrominance. Αυτή η σημείωση είναι το πρότυπο στις εικόνες και φέρει συμπίεση που δεν επηρεάζει την ποιότητα της εικόνας. Χρησιμοποιείται για μορφές βίντεο DVCpro50 και Betacam Digital, μεταξύ άλλων.

4: 1: 1

Και πάλι, έχουμε ένα πλήρες ψήφισμα luma, ενώ τώρα έχουμε ακόμα λιγότερη chrominance - μόλις το ένα τέταρτο. Αυτό είναι το σχήμα υποδειγματοληψίας που χρησιμοποιείται από τις μορφές NTSC DV και PAL DVCPro.

4: 2: 0

Αυτός ο συμβολισμός υποδεικνύει ότι η ανάλυση του luma είναι πλήρης (4), ενώ έχει κατά το ήμισυ ανάλυση στην κάθετη και οριζόντια κατεύθυνση για τα χρωμικά στοιχεία. Πραγματικά 4: 2: 0 είναι μια αρκετά δύσκολη δειγματοληψία χρώματος που περιλαμβάνει πολλές παραλλαγές που εξετάζουν αν το βίντεο είναι interlaced ή προοδευτική, ή αν χρησιμοποιείται από MPEG2 ή PAL DV.

Με αυτή τη δειγματοληψία 4: 2: 0, λαμβάνετε ανάλυση χρώματος 1/4, ακριβώς όπως δειγματοληψία 4: 1: 1. Ωστόσο, στην πρώτη περίπτωση το χρώμα συμπιέζεται οριζόντια και κάθετα, ενώ στη δεύτερη ένδειξη η συμπίεση είναι οριζόντια.

Υποδειγματοληψία χρώματος 1920 x 1080

Αναλογική HDTV ακολουθήθηκε από ψηφιακή HDTV, τεχνολογία υψηλότερης ποιότητας και ανάλυση. Παρόλα αυτά, έφερε και μια μεγάλη πρόκληση για τους μηχανικούς, αφού έπρεπε να δημιουργήσουν μια μορφή που θα επέτρεπε τη χρήση αυτής της νέας τεχνολογίας στα υπάρχοντα εκείνη την εποχή συστήματα, κυρίως PAL και NTSC.

Κατά συνέπεια, όλες οι προσπάθειες έπρεπε να στραφούν προς την επίτευξη συμβατότητας μεταξύ PAL και NTSC. Το νέο πρότυπο HDTV έπρεπε να είναι συμβατό τόσο για τα PAL όσο και για τα NTSC, μεταξύ των κύριων χαρακτηριστικών του.

Οι παραλλαγές που υπέστη αυτό το πρότυπο κατά τη διάρκεια των ετών ήταν πολλές, μέχρι να οριστεί τελικά σε 1125 κάθετες γραμμές, με 1080 από αυτές να αφορούσαν αποκλειστικά την εικόνα. Εκείνη τη στιγμή, ο μέγιστος ρυθμός για το 1080 ήταν 29, 97 fps (NTSC), ενώ για το 720 ήταν 59, 94 fps (NTSC).

Αυτές είναι μερικές από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες χρωματικές τιμές υποδειγματοληψίας στις διάφορες δημοφιλείς μορφές ψηφιακών βίντεο:

• HDCAM: 4: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 4: 4: 4

Είναι υποδειγματοληψία 3: 1: 1 καλύτερη από 4: 2: 2;

Στην παλιά μορφή 1080p HDCAM, χρησιμοποιήθηκε 3: 1: 1, ενώ η ανάλυση 720p είχε και εξακολουθεί να έχει υποδειγματοληψία 4: 2: 2. Αλλά ποιο από αυτά ήταν το καλύτερο;

Αν βασιζόμαστε μόνο στα δεδομένα, είναι μια απλή απάντηση: 4: 2: 2 είναι δύο φορές 3: 1: 1 όσον αφορά τη δειγματοληψία χρωμάτων, οπότε θα μπορούσαμε να δηλώσουμε σαφώς ότι το καλύτερο στην περίπτωση αυτή είναι 4: 2: 2.

Ωστόσο, αυτό δεν μπορεί να είναι απόλυτη απάντηση, δεδομένου ότι το μέγεθος της εικόνας δεν λαμβάνεται υπόψη στις 4 × 4 σημειώσεις της δειγματοληψίας χρώματος.

Ποια από τις σημειώσεις αυτές είναι καλύτερη; Μια εικόνα που περιέχει πολλές πληροφορίες χρώματος ή άλλη με λιγότερες πληροφορίες αλλά με καλύτερο χρώμα δείγματος; Δεν υπάρχει σαφής απάντηση.

Η πρόθεση αυτής της ανάλυσης ήταν να δούμε ότι μια εικόνα έχει πολύ περισσότερες πληροφορίες και πολυπλοκότητα ως φόντο από ό, τι φαίνεται επιφανειακά.

Φυσικά, πάντα έχοντας κατά νου ότι χρησιμοποιούμε δείγμα μιας εικόνας σε 4: 4: 4, αφού πρόκειται για μια πλήρη σημείωση στην οποία λαμβάνεται η καλύτερη συχνότητα δειγματοληψίας.

Υποδειγματοληψία 4: 4: 4 έναντι 4: 2: 2 έναντι 4: 2: 0

Ο αριθμός 4, ο οποίος είναι ο πρώτος αριθμός από τα αριστερά, δείχνει το μέγεθος του δείγματος.

Όσον αφορά τους δύο αριθμούς που προηγούνται αυτού, σχετίζονται με τις πληροφορίες χρώματος. Αυτά εξαρτώνται από τον πρώτο αριθμό (4) και είναι υπεύθυνα για τον ορισμό της οριζόντιας και κατακόρυφης δειγματοληψίας, αντίστοιχα.

Μια εικόνα με έγχρωμη συνιστώσα 4: 4: 4: 4 δεν συμπιέζεται καθόλου, πράγμα που σημαίνει ότι δεν ήταν υποδειγματοληψία και συνεπώς περιέχει πλήρως τα δεδομένα φωτεινότητας και χρώματος.

Αναλύοντας μια μήτρα δύο εικονοστοιχείων, βλέπουμε ότι το 4: 2: 2 περιέχει το ήμισυ του χρώματος που βρίσκουμε σε ένα σήμα 4: 4: 4, ενώ αναλύοντας μια μήτρα 4: 2: 0 βλέπουμε ότι περιέχει ακόμα λιγότερα: μόνο ένα δωμάτιο πληροφοριών χρωμάτων.

Ο οριζόντιος ρυθμός δειγματοληψίας σε ένα σήμα 4: 2: 2 θα είναι μόνο μισό (2), ενώ η κάθετη δειγματοληψία του θα είναι πλήρης (4). Αντίθετα, σε ένα σήμα 4: 2: 0, υπάρχει μόνο η δειγματοληψία χρώματος στα μισά από τα εικονοστοιχεία στην πρώτη σειρά, αγνοώντας εντελώς τα εικονοστοιχεία στη δεύτερη σειρά του σήματος.

Υπολογισμός του μεγέθους των δεδομένων υποδειγματοληψίας

Υπάρχει ένας αρκετά απλός υπολογισμός με τον οποίο μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια πόση πληροφορία χάνεται αφού έχει υπο-δείγμα χρώματος. Ο υπολογισμός έχει ως εξής:

Όπως έχουμε ήδη υποδείξει, η μέγιστη ποιότητα για ένα δείγμα είναι 4 + 4 + 4 = 12

Αυτό σημαίνει ότι μια εικόνα με πλήρες χρώμα είναι 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, όπου βρίσκουμε 100% ποιότητα, χωρίς συμπίεση. Από αυτό το σημείο, η ποιότητα ενός δείγματος μπορεί να ποικίλει ως εξής:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, το οποίο είναι 66, 7% 4: 4: 4 (12) 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, που είναι 42% 4: 4: 4 (12)

Επομένως, εάν ένα πλήρες έγχρωμο σήμα 4: 4: 4 έχει μέγεθος 24 MB, αυτό σημαίνει ότι ένα σήμα 4: 2: 2 θα έχει μέγεθος περίπου 16 MB, ενώ ένα σήμα 4: 2: 0 Θα είναι 12 MB σε μέγεθος και ένα σήμα 3: 1: 1 θα είναι 10 MB.

Με αυτό μπορούμε ήδη να καταλάβουμε γιατί η χρωματική υποδειγματοληψία είναι τόσο σημαντική και συνεχίζει να υπάρχει. Για τομείς όπως το διαδίκτυο και η τηλεόραση είναι απαραίτητο επειδή μειώνει το μέγεθος των αρχείων και ως εκ τούτου απαιτεί λιγότερους πόρους εύρους ζώνης.

Συμπέρασμα σχετικά με την υποδειγματοληψία

Με τη χρωματική υποδειγματοληψία μπορούμε να συμπιέσουμε ένα αρχείο εικόνας για να μειώσουμε το μέγεθός του με αυτόν τον τρόπο. Με αυτό, επιτυγχάνεται ότι απαιτείται μικρότερο εύρος ζώνης για τη μετάδοσή του, χωρίς να χάνεται η ποιότητα της εικόνας με γυμνό μάτι. Αυτό σημαίνει ότι μετά από υποδειγματογράφηση χρώματος ή υποδειγματοληψία, δεν παρατηρούνται οπτικά ορατές σημαντικές ατέλειες.

Προς το παρόν, το δείγμα 4: 2: 0 είναι απαραίτητο για τις πλατφόρμες οπτικοακουστικού περιεχομένου, οπότε χωρίς αυτήν την τεχνική συμπίεσης, θα ήταν σίγουρα πολύ πιο δύσκολο και ακριβό να έχετε πρόσβαση σε υπηρεσίες όπως το περιεχόμενο 4K από την Amazon και το Netflix.

Πηγή Wikipedia