Was ist 4: 4: 4, 4: 2: 2 und 4: 2: 0 oder Unterabtastfarbe

Es ist möglich, dass Sie irgendwann von den Begriffen Luminanz und Chrominanz gehört haben, obwohl Sie nicht genau verstanden haben, was diese Konzepte bedeuteten oder welche spezifischen Funktionen sie hatten. Beide Begriffe werden auch verwendet, wenn eine Unterabtastung oder eine Unterabtastung der Farbe erforderlich ist.

Wenn die Ziffernsätze 4: 4: 4, 4: 2: 2 und 4: 2: 0 gelesen werden, bedeutet dies, dass durch diese Notationen eine Videoformel ausgedrückt wird, die sich auf die Chroma-Unterabtastung bezieht (auch Chrominanz-Unterabtastung genannt).. Diese Zahlenkombinationen finden Sie in Fotos und Videos. Deshalb müssen Sie wissen, wofür sie bestimmt sind.

Vor der Analyse dieser Notationen muss berücksichtigt werden, dass sowohl der Inhalt von Fotos als auch von Videos zu einer Verlangsamung ihrer Verbreitung führt, was auf die durch Breitband angebotenen Grenzen zurückzuführen ist.

In diesem Szenario wird zur Erzielung einer höheren Komprimierungs- und Übertragungsgeschwindigkeit bei audiovisuellen Inhalten die Chrominanz-Unterabtastung verwendet, die in verschiedenen Inhaltsformaten wie Blu-ray-Discs und Streaming-Diensten weit verbreitet ist.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Chroma-Subsampling oder Subsampling?

Die chromatische Unterabtastung (Farbunterabtastung) ist eine Technik, mit der die in einem Signal enthaltenen Farbinformationen komprimiert werden, um die in der Luminanz enthaltenen Informationen zu begünstigen. Auf diese Weise wird die Bandbreite reduziert, ohne jedoch die Qualität dieses komprimierten Bildes zu beeinträchtigen.

Vor einigen Jahren, mit der Einführung digitaler Videos, wogen Videos stark, was es schwierig machte, sie zu übertragen und zu speichern. Beim Versuch, eine Lösung für diese Größenprobleme zu finden, wurde die Chrominanz-Unterabtastung ermittelt.

Wenn wir die Zusammensetzung aller digitalen Videos untersuchen, werden wir zwei Hauptkomponenten finden, die wir Luminanz und Chrominanz nennen.

Der erste Begriff, den wir auch als Helligkeit oder Kontrast kennen, umfasst alle Unterschiede, die wir zwischen den dunkelsten und hellsten Bereichen im Video sehen.

Die Chrominanz ist ihrerseits die Komponente der Farbsättigung des Videos. Da die Vision eines Menschen empfindlicher gegenüber Kontrast (Luminanz) als gegenüber Farbsättigung (Chrominanz) ist, wurde entschieden, dass ein Teil des Videos komprimiert werden kann, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.

Um das digitale Videomanagement zu vereinfachen, wurde daher die Komprimierungstechnik implementiert. Dies bedeutet, dass ein Echtfarben-Videosignal (4: 4: 4), in dem wir alle Informationen von Rot, Grün und Blau in jedem Pixel finden, komprimiert wird, wenn eine chromatische Unterabtastung angewendet wird Die Übertragung ist leichter und erfordert weniger Bandbreite, wenn die Farbe bereits entfernt wurde.

Sobald das Bild komprimiert ist, ist die Qualität von Schwarzweiß nicht geringer als die Qualität der Farben, da das menschliche Sehen, wie angegeben, weniger in der Lage ist, die Chrominanz zu assimilieren. Auf diese Weise hat das Video nach der Unterabtastung mehr Luminanz als Chrominanzinformationen.

Auf diese Weise ist es möglich, die Bildqualität beizubehalten und gleichzeitig die Größe um bis zu 50% zu reduzieren. In einigen Formaten wie dem YUV erreicht die Luminanz nur ein Drittel der Gesamtluminanz, sodass ein großer Spielraum zur Reduzierung der Chrominanz und damit zur Erzielung einer größeren Komprimierung besteht.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es bestimmte Einschränkungen bei den Geschwindigkeiten gibt, die beispielsweise die breiten Bänder von Internet und HDMI ausmachen, wird durch diese Komprimierung erreicht, dass ein digitales Video effizienter übertragen werden kann.

Sowohl CRT-Monitore als auch LCDs und CCDs (Charge Coupled Devices) verwenden Komponenten, um rote, grüne und blaue Farben zu erfassen. In einem digitalen Video wird jedoch zwischen Luma und Chroma unterschieden, um eine Komprimierung vornehmen und die Übertragung erleichtern zu können.

Es gibt verschiedene Chroma-Subsampling-Methoden, die unterschiedliche Notationen verwenden, die wir kurz erläutern werden. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die erste Zahl für Luma und die zweite und dritte Zahl für Chroma steht.

Farbunterabtastungs- / Unterabtastungsmethoden

4: 4: 4

Dies ist die vollständige und ursprüngliche Auflösung, bei der keinerlei Komprimierung erfolgt, wobei die erste Zahl die Luminanz (4) und die folgenden zwei Zahlen (4: 4) für die Cb- und Cr-Chroma-Komponenten angibt. Diese Notation 4: 4: 4 wird üblicherweise für RGB-Bilder verwendet, obwohl es auch für den YCbCr-Farbraum verwendet wird.

4: 2: 2

In der ersten Ausgabe sehen wir eine vollständige Auflösung der Luma, während wir eine halbe Auflösung für die Chrominanz sehen. Diese Notation ist der Standard in Bildern und enthält eine Komprimierung, die die Bildqualität nicht beeinträchtigt. Es wird unter anderem für die Videoformate DVCpro50 und Betacam Digital verwendet.

4: 1: 1

Wir haben wieder eine Luma mit voller Auflösung, während wir jetzt noch weniger Chrominanz haben - nur ein Viertel. Dies ist das von den NTSC DV- und PAL DVCPro-Formaten verwendete Unterabtastungsschema.

4: 2: 0

Diese Notation zeigt an, dass die Auflösung der Luma vollständig ist (4), während sie für die Chroma-Komponenten eine halbe Auflösung in vertikaler und horizontaler Richtung aufweist. Tatsächlich ist 4: 2: 0 eine ziemlich schwierige Farbabtastung, die viele Variationen enthält, wenn man bedenkt, ob das Video interlaced oder progressiv ist oder ob es von MPEG2 oder PAL DV verwendet wird.

Mit dieser 4: 2: 0-Abtastung erhalten Sie eine 1/4 Farbauflösung, genau wie mit einer 4: 1: 1-Abtastung. Im ersten Fall wird die Farbe jedoch horizontal und vertikal komprimiert, während in der zweiten Notation die Komprimierung horizontal ist.

1920 x 1080 Farbunterabtastung

Auf analoges HDTV folgte digitales HDTV, eine Technologie mit höherer Qualität und Auflösung. Dies war jedoch auch eine große Herausforderung für die Ingenieure, da sie ein Formular erstellen mussten, das es ermöglichte, diese neue Technologie in den damals vorhandenen Systemen, hauptsächlich PAL und NTSC, zu verwenden.

Folglich mussten alle Anstrengungen darauf gerichtet werden, die Kompatibilität zwischen PAL und NTSC zu ermöglichen. Der neue HDTV-Standard musste unter anderem für PAL und NTSC kompatibel sein.

Die Variationen, unter denen dieser Standard im Laufe der Jahre litt, waren vielfältig, bis er schließlich auf 1125 vertikale Linien festgelegt wurde, von denen 1080 ausschließlich dem Bild gewidmet waren. Zu diesem Zeitpunkt betrug die maximale Rate für 1080 29, 97 fps (NTSC), während sie für 720 59, 94 fps (NTSC) betrug.

Dies sind einige der am häufigsten verwendeten chromatischen Unterabtastwerte in den verschiedenen gängigen digitalen Videoformaten:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0Internet Video: 4: 2: 0HDTV Übertragungsqualität: 4: 2: 2 Unkomprimiert (vollständige Information): 4: 4: 4: 4

Ist eine 3: 1: 1-Unterabtastung besser als 4: 2: 2?

Im alten 1080p HDCAM-Format wurde 3: 1: 1 verwendet, während die 720p-Auflösung 4: 2: 2-Unterabtastung hatte und immer noch hat. Aber welches davon war das Beste?

Wenn wir nur auf den Daten basieren, ist dies eine einfache Antwort: 4: 2: 2 ist zweimal 3: 1: 1 in Bezug auf die Farbabtastung, sodass wir klar sagen können, dass das Beste in diesem Fall 4: 2 ist: 2.

Dies kann jedoch keine absolute Antwort sein, da die Größe des Bildes in den 4 × 4-Notationen der Farbabtastung nicht berücksichtigt wird.

Welche dieser Notationen ist also besser? Ein Bild, das viele Farbinformationen enthält, oder ein anderes mit weniger Informationen, aber einer besseren Musterfarbe? Es gibt keine klare Antwort.

Mit dieser Analyse wollten wir sehen, dass ein Bild viel mehr Informationen und Komplexität als Hintergrund hat als das, was oberflächlich gesehen wird.

Denken Sie natürlich immer daran, dass wir eine Stichprobe eines Bildes im Verhältnis 4: 4: 4 verwenden, da dies eine vollständige Notation ist, in der die beste Abtastfrequenz erhalten wird.

Unterabtastung 4: 4: 4 gegen 4: 2: 2 gegen 4: 2: 0

Die Zahl 4, die erste Zahl von links, gibt die Größe der Stichprobe an.

Die beiden vorangegangenen Zahlen beziehen sich auf die Chroma-Informationen. Diese hängen von der ersten Zahl (4) ab und sind für die Definition der horizontalen bzw. vertikalen Abtastung verantwortlich.

Ein Bild mit einer 4: 4: 4: 4-Farbkomponente wird überhaupt nicht komprimiert, was bedeutet, dass es nicht unterabgetastet wurde und daher die Luminanz- und Farbdaten vollständig enthält.

Wenn wir eine Matrix mit vier mal zwei Pixeln analysieren, sehen wir, dass 4: 2: 2 die Hälfte der Chroma enthält, die wir in einem 4: 4: 4-Signal finden, während wir bei der Analyse einer 4: 2: 0-Matrix sehen, dass sie noch weniger enthält: nur ein Farbinformationsraum.

Die horizontale Abtastrate bei einem 4: 2: 2-Signal beträgt nur die Hälfte (2), während die vertikale Abtastrate voll ist (4). Im Gegensatz dazu gibt es in einem 4: 2: 0-Signal nur eine Farbabtastung in der Hälfte der Pixel in der ersten Reihe, wobei die Pixel in der zweiten Reihe des Signals vollständig ignoriert werden.

Berechnung der Größe der Unterabtastdaten

Es gibt eine ziemlich einfache Berechnung, mit der wir genau wissen können, wie viele Informationen nach einer Unterabtastung der Farbe verloren gehen. Die Berechnung ist wie folgt:

Wie bereits erwähnt, beträgt die maximale Qualität für eine Probe 4 + 4 + 4 = 12

Dies bedeutet, dass ein Bild mit Vollfarbe 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12 ist, wobei wir 100% Qualität ohne Komprimierung finden. Ab diesem Zeitpunkt kann die Qualität einer Probe wie folgt variieren:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, was 66, 7% von 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6 entspricht, was 50% von entspricht 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, was 50% von 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5 entspricht, das sind 42% von 4: 4: 4 (12)

Wenn ein 4: 4: 4-Vollfarbsignal 24 MB groß ist, bedeutet dies, dass ein 4: 2: 2-Signal etwa 16 MB groß ist, während ein 4: 2: 0-Signal Es wird 12 MB groß sein und ein 3: 1: 1-Signal wird 10 MB groß sein.

Damit können wir bereits verstehen, warum chromatische Unterabtastung so wichtig ist und weiterhin besteht. Für Sektoren wie Internet und Fernsehen ist dies wichtig, da dadurch die Größe der Dateien verringert wird und daher weniger Bandbreitenressourcen erforderlich sind.

Schlussfolgerung zur Unterabtastung

Mit chromatischer Unterabtastung können wir eine Bilddatei komprimieren, um ihre Größe auf diese Weise zu reduzieren. Damit wird erreicht, dass weniger Bandbreite erforderlich ist, um es zu übertragen, ohne die Bildqualität mit bloßem Auge zu verlieren. Dies bedeutet, dass nach der Unter- oder Unterabtastung von Farben keine größeren Mängel visuell erkennbar sind.

Derzeit ist das 4: 2: 0-Beispiel für Plattformen für audiovisuelle Inhalte unverzichtbar. Ohne diese Komprimierungstechnik wäre der Zugriff auf Dienste wie 4K-Inhalte von Amazon und Netflix sicherlich viel schwieriger und teurer gewesen.

Wikipedia-Quelle