Цветовая субдискретизация

Цветовая субдискретизация (англ. Chroma subsampling) - технология кодирования изображений со снижением цветового разрешения, при которой 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 скорости 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 черно-белым телевизионным сигналом и для возможности уменьшения полосы частот, требуемой для передачи цветностной информации, в цветном телевидении используются специальные схемы суммирования трех составляющих видеосигнала Y' - означает яркость, а R-Y' и 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:

Y' = 0.299 × R + 0.587 × G + 0.114 × B

Cr = 0.713 × (R – Y')

Cb = 0.564 × (B – Y')

При передаче таких сигналов, возможно восстановление исходных составляющих цветов: красной (R), синей (B) и зеленой (G), которые используются в большинстве систем отображения видеоинформации.

При Y', Cr, Cb представлении видеосигнала цветоразностные компоненты Cr, Cb передаются с пространственным разрешением, в два раза меньшим разрешения по яркостному сигналу, при этом частота дискретизации для яркостного сигнала Y' устанавливается равной 13,5 МГц, что в два раза больше, чем для цветоразностных сигналов Cr и Cb — 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 X:a: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 четвертого канала, содержащего информацию прозрачности (альфа-канал). Этими частями являются:

• X - частота дискретизации яркостного канала, выраженная коэффициентом базовой частоты (ширина макропикселя)
• a - число выборок цветоразностных сигналов (Cr, Cb) в горизонтальном направлении в первой строке
• b - число (дополнительных) выборок цветоразностных сигналов (Cr, Cb) во второй строке
• Alpha - частота дискретизации альфа-канала (по отношению к первой цифре). Может быть опущен, если альфа-компонент отсутствует, и равна 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 разрешение						½ горизонтального разрешения, полное вертикальное разрешение						полное горизонтальное разрешение, полное вертикальное разрешение

8:4:4 Y'CbCr

Каждая из цветоразностных компонент Cb и Cr имеют одинаковую частоту дискретизации. Компонента яркости имеет в два раза большее разрешение. Эта система используется сканерами киноплёнки высокого уровня, устройствами телекино.

4:4:4 Y'CbCr

Каждая из трех компонент Y'CbCr имеет одинаковую частоту дискретизации. Эта схема иногда используется в дорогих сканерах и кинематографическом пост-продакшн 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.

4:4:4 R'G'B' (без субдискретизации)

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 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 пропускная способность уменьшается 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 Cr и Cb 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 Cr и Cb (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, МККТТ 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 Cb и Cr 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:

• Отсчеты 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, Cb и Cr совмещены и располагаются между альтернативными отсчетами яркости.
• В 4:2:0 DV, отсчёты цветоразностных компонентов Cb и Cr совмещены с отсчётами яркостной составляющей изображения, может быть получен из прототипной структуры 4:2:2 путем 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 сокращают пропускную способность 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 полосы пропускания максимальной 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 U, V и Cb, Cr различен. Однако термин YUV часто используется ошибочно, обращаясь 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 Y часто пользуются ошибочно, обращаясь к яркости, которая обозначается символом Y'. Обратите внимание, что яркость (Y'), принятая у видео инженеров отклоняется от яркости (Y) в колориметрии (как определено в CIE ). Яркость (в ТВ) формируется как взвешенная сумма компонентов RGB с гамма-коррекцией (трехцветной). Яркость формируется как взвешенная сумма линейных (трехцветной) компонентов RGB.

На практике, CIE символ Y часто неправильно используется для обозначения яркости. В 1993 году SMPTE принятое Руководство для инженеров EG 28, уточняет два термина. Обратите внимание, что главным символом ' используется, чтобы указать гамма-коррекцию.

Кроме того, понятие хрома/цветность у видео инженеров отличается от цветности в колориметрии. Хрома/цветность в видео-инженерной практике формируется из весовых компонентов трехцветной, нелинейных компонентов. Условия 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	Владелец	Субдискртетизация	Глубина цвета	Скорость потока данных (Мбит/с)	Тип компрессии	Степень сжатия	Разрешение (пикселей)
Телевидение стандартной чёткости (SD)
DV/MiniDV	Несколько	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	DCT 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	DCT	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.
• Андрей Ряхин Персональные компьютеры и телевидение // "625" : журнал. — 1996. — № 02.
• 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" [1]
•  (англ.) Poynton, Charles. "Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces." USA: Morgan Kaufmann Publishers, 2003.
•  (англ.) Kerr, Douglas A. "Chrominance Subsampling in Digital Images" [2]