Subesantionarea cromatică

În electronică și telecomunicații , sub-eșantionarea cromatică este o tehnică care constă în codificarea imaginilor prin rezervarea unei rezoluții mai mari pentru semnalul de luminanță , mai degrabă decât pentru informațiile de crominanță . Este o tehnică utilizată în multe modele de compresie atât pentru semnale analogice, cât și digitale , și este utilizată și de compresia JPEG și MPEG .

Aspecte tehnice

Un semnal video, în special un semnal video component , are o lățime de bandă foarte mare, rezultând o serie întreagă de probleme care trebuie înregistrate sau transmise. Ca rezultat, tehnicile de compresie sunt adesea folosite pentru a îmbunătăți gestionarea semnalului, pentru a crește lungimea înregistrării sau pentru a crește numărul de canale de transmisie. Deoarece viziunea umană este mult mai sensibilă la modificările nivelului de lumină decât la modificările culorii ^[1] , acest principiu poate fi exploatat pentru a optimiza compresia, dedicând mai multă bandă luminanței ( Y ) și mai puțin diferenței de componente cromatice. ( Cb și Cr ). Schema de subesantionare Y'CbCr 4: 2: 2, de exemplu, necesită doar două treimi din banda (4: 4: 4) R'G'B ' . Această reducere este aproape imperceptibilă pentru ochiul uman.

Cum funcționează submasionarea

Sub-eșantionarea cromatică diferă de teoria științifică prin faptul că componentele de luminanță și crominanță sunt formate ca o sumă ponderată a componentelor tristimulus R'G'B 'după corecția gamma , mai degrabă decât componentele liniare tristimulus RGB. Ca rezultat, luminanța și detaliile culorilor nu sunt complet independente una de cealaltă, dar există un fel de „amestecare” între cele două componente. Eroarea este mai mare la culorile foarte saturate și se observă în verde și magenta barelor de culori . Prin inversarea ordinii operațiunilor dintre corecția gamma și suma ponderată a semnalelor, subeșantionarea poate fi aplicată mai bine.

Original fără subeșantionare. Mărire 200%.

Imagine după eșantionare (comprimată cu codecul Sony Vegas DV )

Sisteme de eșantionare

Schema de sub-eșantionare este de obicei indicată cu o notație din trei cifre (de exemplu, 4: 2: 2) sau uneori cu patru cifre (de exemplu, 4: 2: 2: 4). Semnificația numerelor este următoarea:

Referință de eșantionare orizontală a luminanței (inițial, ca multiplu al subpurtătorului la 3,579 MHz în NTSC sau 4,43 MHz în PAL ), câte pixeli de definiție are linia de referință.
Factorul cromatic Cb, Cr (în raport cu prima cifră), indică precizia în pixeli a culorii în raport cu coloanele.
Factorul cromatic al celui de-al doilea rând Cb, Cr (relativ la prima cifră), poate lua o valoare egală cu a doua cifră sau valoarea 0, dacă valoarea este egală cu 0 aveți jumătate din liniile de rezoluție, altfel aveți toate liniile de rezoluție.
Factor orizontal Alfa (raportat la prima cifră). Poate fi omis dacă nu există un canal alfa prezent.

Există excepții și această ofertă nu este valabilă pentru toate combinațiile, cum ar fi 4: 1: 0 și 4: 2: 1.

Pentru a calcula lățimea de bandă necesară în raport cu un semnal 4: 4: 4 (sau 4: 4: 4: 4), adăugați toți factorii și împărțiți rezultatul la 12 (sau la 16 dacă există un canal alfa).

Exemplele de mai sus sunt teoretice și doar în scop demonstrativ. De asemenea, rețineți că diagramele nu indică nicio filtrare a cromelor, care ar trebui aplicată pentru a evita aliasarea .

Tipuri de subesantionare

8: 4: 4 Y'CbCr

Fiecare dintre cele două componente de crominanță, Cb și Cr, sunt prelevate la aceeași rezoluție, iar luma la dublu. Această schemă este utilizată în telecine , scanere de film high-end și corectoare de culoare. Luma are de două ori lățimea de bandă a unui sistem 4: 4: 4 și o astfel de bandă necesită transmiterea a două conexiuni, numite link A și link B, fiecare purtând un semnal 4: 2: 2.

4: 4: 4 Y'CbCr

Fiecare dintre cele trei componente Y'CbCr este eșantionată la aceeași rezoluție. Această schemă este utilizată în scanerele de ultimă generație și în postproducerea filmelor. De asemenea, în acest caz sunt necesare două conexiuni: legătura A poartă un semnal 4: 2: 2, legătura B a 0: 2: 2.

4: 4: 4 R'G'B '(fără submasionare)

Notarea „4: 4: 4” se poate referi și la spațiul de culoare R'G'B ' , care implicit nu are sub-eșantionare cromatică. Acest semnal poate fi înregistrat de un VCR HDCAM SR dacă este transmis de la o conexiune dual link .

4: 2: 2

Cele două probe de cromă sunt prelevate la jumătate din rezoluția de luminanță, înjumătățind rezoluția cromatică. Acest lucru reduce lățimea de bandă a semnalului video cu o treime, aproape fără pierderi perceptibile.

Multe formate video high-end folosesc această schemă:

AVC-Intra
Digital Betacam
DVCPRO50 și DVCPRO HD
DigitalS
CCIR 601 / Serial Digital Interface / D1
ProRes (HQ, 422, LT și Proxy)
XDCAM HD 422
Canon MXF HD422

4: 2: 1

Această schemă este definită din punct de vedere tehnic, dar foarte puține codecuri o folosesc. Rezoluția orizontală Cb este jumătate din acel Cr (și un sfert din acel Y ). Această schemă folosește principiul conform căruia ochiul uman este mai sensibil la roșu decât la albastru.

4: 1: 1

În subesantionarea 4: 1: 1, rezoluția orizontală a culorii este redusă la un sfert. Lățimea de bandă este redusă la jumătate în comparație cu o schemă non-eșantionată. În unele medii profesionale, schema 4: 1: 1 a codecului DV nu a fost considerată clasă de difuzare la momentul introducerii sale și acceptabilă doar pentru aplicații non-profesionale. ^[2] ^[3] De-a lungul timpului, formatele bazate pe acest codec sunt utilizate în schimb în medii profesionale pentru captarea imaginilor și utilizarea în servere video și, sporadic, codecul DV a fost utilizat și în cinematografia digitală cu costuri reduse.

Formatele care utilizează această schemă includ:

DVCPRO (NTSC și PAL)
DV și DVCAM ( NTSC )

4: 2: 0

Această schemă este utilizată în:

Toate versiunile codecurilor MPEG , inclusiv implementările MPEG-2, cum ar fi DVD-ul (unele profiluri MPEG-4 pot utiliza scheme de calitate superioară, cum ar fi 4: 4: 4)
DV și DVCAM ( PAL )
HDV
Implementări comune JPEG / JFIF , H.261 și MJPEG
VC-1

Componentele Cb Cr sunt submasionate cu un factor de 2 atât pe verticală, cât și pe orizontală și centrate în mijlocul liniilor de scanare verticale.

Există trei variante ale schemelor 4: 2: 0, care diferă prin amplasarea verticală și orizontală.

În MPEG-2, Cb și Cr coincid orizontal.
În JPEG / JFIF, H.261 și MPEG-1, Cb și Cr sunt poziționate la jumătatea distanței dintre probele de luminanță alternativă (Y).
În DV 4: 2: 0, Cb și Cr sunt alternate linie cu linie.

Schemele de culori PAL și SÉCAM sunt potrivite în special pentru acest tip de compresie. Cele mai multe formate video digitale corespunzătoare PAL utilizează subcampionarea cromatică 4: 2: 0, cu excepția DVCPRO25, care utilizează schema 4: 1: 1. Lățimea de bandă necesară este redusă la jumătate în comparație cu semnalul complet pentru ambele scheme.

Cu materialul întrețesut , sub-eșantionarea 4: 2: 0 poate crea artefacte asupra imaginilor în mișcare dacă subeșantionarea este aplicată în același mod ca și materialul progresiv. Probele de luminanță provin de fapt din câmpuri diferite, în timp ce probele de crominanță provin din ambele câmpuri. Diferența dintre probe generează artefacte. Standardul MPEG-2 prevede utilizarea unei scheme alternative pentru a evita problema, unde schema 4: 2: 0 este aplicată fiecărui câmp, dar nu ambelor câmpuri în același timp.

Original. * Această imagine arată o singură jumătate de pătrat. Textul în mișcare a suferit o estompare.

Eșantionare progresivă 4: 2: 0 aplicată materialului mobil întrețesut. Rețineți că croma precede și urmează textul. * Această imagine arată o singură jumătate de pătrat.

4: 2: 0 eșantionare întrețesată aplicată materialului în mișcare întrețesut. * Această imagine arată o singură jumătate de pătrat.

Cu toate acestea, în schema interconectată 4: 2: 0, rezoluția verticală a cromei este aproximativ înjumătățită, deoarece probele cuprind o zonă de probă 4x2 în loc de 2x2. În mod similar, deplasarea temporală între cele două câmpuri poate duce la artefacte de culoare.

Imagine statică originală.

Eșantionare progresivă 4: 2: 0 aplicată unei imagini statice. Ambele câmpuri sunt afișate.

Eșantionare între 4: 2: 0 aplicată unei imagini statice. Ambele câmpuri sunt afișate.

Dacă materialul întrețesut trebuie îndepărtat din întrețesere , artefactele de cromă (derivate din eșantionarea întrețesută 4: 2: 0) pot fi îndepărtate prin amestecarea cromelor pe verticală. [1] [2]

4: 1: 0

Această schemă este posibilă (unele codecuri o acceptă), dar nu sunt utilizate pe scară largă. Se așteaptă la jumătate din rezoluția verticală și un sfert din rezoluția orizontală, cu doar o optime din lățimea de bandă originală. Video necomprimat , în acest format, cu cuantizare pe 8 biți, utilizează 10 octeți pentru fiecare macropixel (4 pixeli x 2). Banda cromatică este echivalentă cu cea a unui semnal PAL I decodificat cu o linie de întârziere și încă mult mai mare decât un semnal NTSC.

Unele codecuri video pot funcționa cu scheme 4: 1: 0,5 sau 4: 1: 0,25, ca opțiune, cu o calitate superioară față de banda VHS și lățime de bandă similară.

3: 1: 1

Folosit de SONY pentru înregistratoarele HDCAM (dar nu și pe HDCAM SR ), această schemă implică eșantionarea orizontală a luminanței la trei sferturi din frecvența unui semnal de înaltă definiție , adică 1440 de eșantioane pe rând în loc de 1920. Chroma este eșantionat la 480 de eșantioane pe rând, o treime din eșantionarea luminanței.

Pe verticală, ambele semnale sunt eșantionate pe întreaga bandă de semnal (1080 linii).

Terminologie

Termenul Y'UV se referă la o schemă de codare analogică, în timp ce Y'CbCr se referă la o schemă digitală. O diferență între cele două scheme este că factorii de scară ai componentelor de crominanță (U, V, Cb și Cr) sunt diferiți. Cu toate acestea, termenul YUV este adesea folosit greșit pentru a se referi la codarea Y'CbCr. În consecință, notații precum „4: 2: 2 YUV” se referă întotdeauna la schema Y'CbCr 4: 2: 2, deoarece nu există sub-eșantionare 4: x: x în codificarea analogică (așa cum este YUV).

În mod similar, termenul de luminanță și simbolul Y sunt adesea folosite pentru a se referi la luma , notată cu simbolul Y ' . Rețineți că Luma (Y „) de tehnologie video de diferă luminanța luminanță (Y) utilizat ca termen științific (definit de CIE ). Luma este dată de suma ponderată a componentelor tristimulus RGB după corecția gamma, în timp ce luminanța este dată de suma ponderată a componentelor tristimulus RGB liniare.

În practică, simbolul CIE Y indică adesea incorect luma. În 1993, SMPTE a stabilit Ghidul tehnic EG 28, clarificând cei doi termeni. Simbolul prim ′ este utilizat pentru a indica corecția gamma .

Termenii cromă / crominanță diferă în mod similar de cromă în contextul științific. crominanța tehnologiei video este formată din componentele tristimulus corectate și neliniare. În acest context, termenii cromă , cromă și saturație se referă adesea la același concept.

Notă

^ Margaret Livingstone, The First Stages of Processing Color and Luminance: Where and What , in Vision and Art: The Biology of Seeing , New York, Harry N. Abrams, 2002, pp. 46-67, ISBN 0-8109-0406-3 .
^ DV vs. Betacam SP , pe dvcentral.org . Adus la 26 decembrie 2007 (arhivat din original la 2 iulie 2008) .
^ Formatele DV, DVCAM și DVCPRO - detalii tehnice, întrebări frecvente și linkuri

Bibliografie

Poynton, Charles. „YUV și luminanța considerate dăunătoare: o pledoarie pentru o terminologie precisă în video” [3]
Poynton, Charles. „Video digital și HDTV: algoritmi și interfețe.” SUA: Morgan Kaufmann Publishers, 2003.
Carlo Solarino, Producție video digitală , Vertical 1999

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre subșantionarea Chroma

Portalul televiziunii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu televiziunea

[1] Margaret Livingstone, The First Stages of Processing Color and Luminance: Where and What , in Vision and Art: The Biology of Seeing , New York, Harry N. Abrams, 2002, pp. 46-67, ISBN 0-8109-0406-3 .

[2] DV vs. Betacam SP , pe dvcentral.org . Adus la 26 decembrie 2007 (arhivat din original la 2 iulie 2008) .

[3] Formatele DV, DVCAM și DVCPRO - detalii tehnice, întrebări frecvente și linkuri

[1]

[2]

[3]