Цветовая субдискретизация

Цветовая субдискретизация (англ. Chroma subsampling) — технология кодирования изображений, при которой показатели яркости сохраняются для каждого пикселя, а данные о цвете — для групп пикселей, так частота выборки цветоразностных сигналов может быть меньше частоты выборки яркостного сигнала. Основана на особенности человеческого зрения, выраженной большей чувствительностью к перепадам яркости, чем цвета. Цветовая субдискретизация является важным способом снижения размера цифрового потока видеоданных (цифровое сжатие видеоинформации). Используется в системах аналогового и цифрового телевидения, цифровой видеозаписи и алгоритмах сжатия изображений, таких как JPEG.

На практике кодирование изображений осуществляется уменьшением разрешения в цветоразностных каналах при сохранении разрешения в канале яркости.

История

Метод был впервые разработан в 1950-х Альдой Бедфордом для системы цветного телевидения компании RCA. Позже он получил своё развитие в стандарте NTSC. Впрочем, принцип разделения яркости и информации о цвете был придуман ещё раньше — в 1938 году Джорджесом Валенси.

Введение

Для совместимости с чёрно-белым телевизионным сигналом и для возможности уменьшения полосы частот, требуемой для передачи цветностной информации, в цветном телевидении используются специальные схемы суммирования трёх составляющих видеосигнала ${\displaystyle Y'}$ — означает яркость, а ${\displaystyle R-Y'}$ и ${\displaystyle B-Y'}$ — так называемые цветоразностные сигналы. Для перевода компонентного видеосигнала в цифровую форму в соответствии с рекомендациями ITU-R 601 применяется кодирование по следующим формулам:

${\displaystyle {\begin{aligned}Y'&=0.299\cdot R'+0.587\cdot G'+0.114\cdot B'\\C_{R}&=0.713\cdot (R'-Y')\\C_{B}&=0.564\cdot (B'-Y')\end{aligned}}}$

При передаче таких сигналов возможно восстановление исходных составляющих цветов: красной (${\displaystyle R}$), синей (${\displaystyle B}$) и зелёной (${\displaystyle G}$), которые используются в большинстве систем отображения видеоинформации.

При ${\displaystyle Y'}$, ${\displaystyle C_{r}}$, ${\displaystyle C_{b}}$ представлении видеосигнала цветоразностные компоненты ${\displaystyle C_{r}}$, ${\displaystyle C_{b}}$ передаются с пространственным разрешением, в два раза меньшим разрешения по яркостному сигналу, при этом частота дискретизации для яркостного сигнала ${\displaystyle Y'}$ устанавливается равной 13,5 МГц, что в два раза больше, чем для цветоразностных сигналов ${\displaystyle C_{r}}$ и ${\displaystyle C_{b}}$ — 6,75 МГц. Для цифровых стандартов принято базовое значение частоты дискретизации, равное 3,375 МГц, таким образом, частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов будут находиться в соотношении 4:2:2.

Для сигналов ТВЧ, согласно части II Рекомендации ITU-R 709-3, установлены частоты дискретизации сигналов яркости 74,25 МГц и цветности 37,125 МГц.

Форматы субдискретизации

Структура дискретизации сигнала обозначается как соотношение между тремя частями ${\displaystyle X}$:${\displaystyle a}$:${\displaystyle b}$ (например, 4:2:2), описывающими число выборок яркостных и цветоразностных сигналов. Также иногда используется обозначение с четырьмя частями (4:2:2:4), где четвёртая цифра, если она включена, должна быть идентична первой цифре, указывающая на наличие сигнала четвёртого канала, содержащего информацию прозрачности (альфа-канал). Этими частями являются:

• ${\displaystyle X}$ — частота дискретизации яркостного канала, выраженная коэффициентом базовой частоты (ширина макропикселя);
• ${\displaystyle a}$ — число выборок цветоразностных сигналов (${\displaystyle C_{r}}$, ${\displaystyle C_{b}}$) в горизонтальном направлении в первой строке;
• ${\displaystyle b}$ — число (дополнительных) выборок цветоразностных сигналов (${\displaystyle C_{r}}$, ${\displaystyle C_{b}}$) во второй строке;
• ${\displaystyle \alpha }$ — частота дискретизации альфа-канала (по отношению к первой цифре). Может быть опущена, если альфа-компонент отсутствует, и равна ${\displaystyle X}$ при его наличии.

	4:1:1						4:2:0						4:2:2						4:4:4
Y'CrCb
	=						=						=						=
Y'
	+						+						+						+
	1	2	3	4	X = 4		1	2	3	4	X = 4		1	2	3	4	X = 4		1	2	3	4	X = 4
(Cr, Cb)	1				a = 1		1		2		a = 2		1		2		a = 2		1	2	3	4	a = 4
	1				b = 1						b = 0		1		2		b = 2		1	2	3	4	b = 4
	¼ горизонтального разрешения, полное вертикальное разрешение						½ горизонтального разрешения, ½ вертикального разрешения						½ горизонтального разрешения, полное вертикальное разрешение						полное горизонтальное разрешение, полное вертикальное разрешение

4:4:4

Каждая из трех компонент ${\displaystyle Y'C_{b}C_{r}}$ имеет одинаковую частоту дискретизации. Эта схема иногда используется в дорогих сканерах и кинематографическом постпродакшн производстве. Как правило, для предоставления такой пропускной способности используется двухканальный интерфейс HD-SDI стандарта SMPTE 372M. Первое подключение — для передачи сигнала 4:2:2, второе подключение — для сигнала 0:2:2, в сочетании будет передано 4:4:4.

Стоит отметить, что под «4:4:4» может пониматься цветовое пространство R'G'B', которое вовсе не имеет цветовой субдискретизации. Видеоформаты, такие как HDCAM SR, могут записывать цифровой видеосигнал с частотой выборки 4:4:4 ${\displaystyle R'G'B'}$ посредством двухканального HD-SDI.

4:2:2

Используется в научных исследованиях, профессиональных системах и формате MPEG-2. Рекомендация 601 определяет стандарт полного цифрового видеосигнала с соотношением частот дискретизации яркостного и цветоразностных сигналов как 4:2:2. В каждой строке передается полный сигнал яркости, а для цветоразностных сигналов производится выборка каждого второго отсчета. Таким образом, цветовое горизонтальное разрешение снижается вдвое.

4:2:1

Этот режим также определен технически. Используется в ограниченном наборе аппаратных и программных кодеров.

4:1:1

В соотношении 4:1:1 горизонтальное разрешение цветоразностных сигналов снижается до четверти от полного разрешения сигнала яркости, также полоса пропускания сужается (пропускная способность увеличивается) в два раза по сравнению с режимом без субдискретизации. Первоначально 4:1:1 применялся в формате DV, который не считался вещательным и был единственным приемлемым форматом видеозаписи для низкобюджетных и потребительских приложений. В настоящее время DV-формат (с выборкой 4:1:1) используется профессионально для производства новостей и воспроизведения видео при помощи серверов.

В системе NTSC, если частота дискретизации яркости равна 13,5 МГц, то это означает, что каждый из сигналов ${\displaystyle C_{r}}$ и ${\displaystyle C_{b}}$ будет дискретизован с частотой 3,375 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности частоты Найквиста 1,6875 МГц, в то время как традиционный «NTSC кодер высокого класса аналогового вещания» будет иметь частоту Найквиста 1,5 МГц и 0,5 МГц для I/Q каналов. Однако в большинстве единиц оборудования, особенно в дешевых телевизорах и VHS-/Betamax-видеомагнитофонах, каналы цветности имеют пропускную способность только 0,5 МГц для ${\displaystyle C_{r}}$ и ${\displaystyle C_{b}}$ (что эквивалентно для I/Q). Таким образом, система фактически обеспечивает увеличенную пропускную способность цвета по сравнению с лучшими композитными аналоговыми спецификациями для NTSC, несмотря на то, что используется только 1/4 от полной полосы частот цветовой составляющей «полного» цифрового сигнала. Форматы, которые используют 4:1:1, включают в себя:

• DVCPRO (NTSC и PAL);
• NTSC DV и DVCAM;
• D-7.

4:2:0

Различные варианты 4:2:0 конфигураций можно найти в:

• В стандартах кодирования видео ИСО/МЭК, MPEG, МСЭ-Т и Группы экспертов кодирования видео «H.26x», включая реализации H.262/MPEG-2 Part 2, такие как DVD (хотя некоторые профили MPEG-4 Part 2 и H.264/MPEG-4 AVC позволяют кодировать со структурой выборки более высокого качества, например, такой как 4:4:4)
• PAL DV и DVCAM
• HDV
• AVCHD и AVC-Intra 50
• Apple Intermediate Codec
• Наиболее распространенные реализации JPEG / JFIF и MJPEG
• VC-1

Для цветоразностных компонентов ${\displaystyle C_{b}}$ и ${\displaystyle C_{r}}$ при дискретизации отбрасывается каждый второй отсчёт по горизонтали и по вертикали. Есть три варианта схем 4:2:0, имеющих различные горизонтальные и вертикальные размещения отсчётов:

• Отсчёты цветоразностных компонентов в формате 4:2:0, принятом в системе компрессии MPEG-2, не совмещены с отсчётами яркостной составляющей.
• В JPEG / JFIF, H.261 и MPEG-1, ${\displaystyle C_{b}}$ и ${\displaystyle C_{r}}$ совмещены и располагаются между альтернативными отсчетами яркости.
• В 4:2:0 DV, отсчёты цветоразностных компонентов ${\displaystyle C_{b}}$ и ${\displaystyle C_{r}}$ совмещены с отсчётами яркостной составляющей изображения, может быть получен из прототипной структуры 4:2:2 путём поочередного исключения одного цветоразностного компонента в каждой второй строке каждого поля.

Этот вид обработки данных особенно хорошо подходит для цветных систем PAL и SECAM. Большинство цифровых видео форматов PAL используют соответственно 4:2:0, за исключением DVCPRO25, который использует 4:1:1. Оба варианта 4:1:1 и 4:2:0 вдвое снижают требования к пропускной способности по сравнению с представлением без субдискретизации.

4:1:0

Поддерживается некоторыми кодеками, но используется не слишком широко. При этом соотношении коэффициентов используется половина вертикального и четверть горизонтального цветового разрешения, и лишь одна восьмая часть от полосы пропускания максимального цветового разрешения.

3:1:1

Используется в формате видеозаписи высокой чёткости Sony HDCAM (не HDCAM SR). В горизонтальном направлении производится выборка отсчетов сигнала яркости на три четверти от полной частоты дискретизации HD — 1440 выборок в строке против 1920 в HDCAM SR. В вертикальном направлении, как в канале яркости, так и в канале цветности, производится полная дискретизация HD (1080 отсчетов).

Терминология

Термин Y'UV относится к аналоговой схеме кодирования, в то время как Y'CbCr ссылается на цифровые схемы кодирования. Одно из различий между ними в том, что набор коэффициентов компонентов цветности ${\displaystyle U}$, ${\displaystyle V}$ и ${\displaystyle C_{b}}$, ${\displaystyle C_{r}}$ различен. Однако термин YUV часто используется ошибочно при обращении к кодировке Y'CbCr. Следовательно, выражения типа «4:2:2 YUV» всегда относятся к «4:2:2 Y'CbCr», так как просто нет такого понятия, как 4:x:x в аналоговой кодировке, например, YUV.

Также термином яркость и символом ${\displaystyle Y}$ часто пользуются ошибочно, обращаясь к яркости, которая обозначается символом ${\displaystyle Y'}$. Обратите внимание, что яркость (${\displaystyle Y'}$), принятая у видеоинженеров, отклоняется от яркости (${\displaystyle Y}$) в колориметрии (как определено в CIE). Яркость (в ТВ) формируется как взвешенная сумма компонентов RGB с гамма-коррекцией (трёхцветной). Яркость формируется как взвешенная сумма линейных (трёхцветной) компонентов RGB.

На практике CIE символ ${\displaystyle Y}$ часто неправильно используется для обозначения яркости. В 1993 году SMPTE принятое Руководство для инженеров EG 28 уточняет два термина. Обратите внимание, что символ ${\displaystyle '}$ (штрих) используется, чтобы указать гамма-коррекцию.

Кроме того, понятие хрома/цветность у видеоинженеров отличается от цветности в колориметрии. Хрома/цветность в видеоинженерной практике формируется из весовых трехцветных нелинейных компонентов. Термины «цветность» и «насыщенность» часто используются как синонимы для обозначения цветности.

Видеоформаты

Следующая таблица показывает характеристики большинства видеоформатов и типов применяемой субдискретизации цветоразностных компонент, а также другие связанные с ними параметры, такие как скорость передачи данных и степень сжатия.

Формат	Разработчик	Субдискретизация	Глубина цвета	Скорость потока данных, Мбит/с	Тип компрессии	Степень сжатия	Разрешение, пикс.
Телевидение стандартной чёткости (SD)
DV/MiniDV	Sony, Panasonic, Philips, Hitachi и JVC	4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC)	8 бит	25	ДКП	5:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
DVCPRO 25	Panasonic	4:1:1	8 бит	25	ДКП	5:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
DVCPRO 50	Panasonic	4:2:2	8 бит	50	ДКП	3,3:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
DVCAM	Sony	4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC)	8 бит	25	ДКП	5:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
Digital Betacam	Sony	4:2:2	10 бит	90	ДКП	2,3:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
Betacam SX	Sony	4:2:2	10 бит	18/170	MPEG-2	10:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
MPEG IMX	Sony	4:2:2	8 бит	30 40 50	MPEG-2	6:1 4:1 3,3:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
XDCAM	Sony	4:2:0/4:1:1 4:2:2	8 бит	30 40 50	ДКП MPEG-2	6:1 4:1 3,3:1	720×576 (PAL) 720×480 (NTSC)
Телевидение высокой чёткости (HD)
DVCPRO 100	Panasonic	4:2:2	8 бит	100	ДКП	6,7:1	1440×1080 960×720
HDCAM	Sony	3:1:1	8 бит	144	MPEG-4	4:1	1440×1080
HDCAM SR	Sony	4:2:2 4:4:4	10 бит	440 880	MPEG-4	4,2:1 2,7:1	1920×1080
HDV	Sony, JVC, Canon	4:2:0	8 бит	19/25	MPEG-2	18:1	1440×1080 1920×1080 1280×720
AVCHD	Panasonic, Sony	4:2:0	8 бит	18/24	H.264/MPEG-4		1440×1080 1920×1080 1280×720
XDCAM HD	Sony	4:2:0	8 бит	18/50	MPEG-2		1440×1080 1280×720

См. также

• Цветовое пространство (Color space)
• SMPTE — Общество инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers)
• Цифровое видео (Digital video)
• HDTV
• YCbCr
• YPbPr
• CCIR 601 4:2:2 SDTV
• YUV

Литература

• Константин Гласман. Цифровая магнитная видеозапись. Формат DV // "625" : журнал. — 2002. — № 03. Архивировано 5 марта 2012 года.
• Андрей Ряхин. Персональные компьютеры и телевидение // "625" : журнал. — 1996. — № 02. Архивировано 5 марта 2012 года.
• Олег Татарников. Видеокарты с функцией оцифровки аналогового видеосигнала // КомпьютерПресс : журнал. — 1999. — № 07.
• Олег Татарников. Методы сжатия цифрового видео // КомпьютерПресс : журнал. — 2004. — № 08.
•  (англ.) Poynton, Charles. «YUV and luminance considered harmful: A plea for precise terminology in video»
•  (англ.) Poynton, Charles. «Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces.» USA: Morgan Kaufmann Publishers, 2003.
•  (англ.) Kerr, Douglas A. «Chrominance Subsampling in Digital Images»