Färg delsampling

Färgsubsampling ( eng.  Chroma subsampling ) är en bildkodningsteknik där ljusstyrkavärden lagras för varje pixel, och färgdata lagras för grupper av pixlar, så samplingshastigheten för färgskillnadssignaler kan vara mindre än samplingsfrekvensen av ljusstyrkasignalen. Baserat på det speciella med mänskligt syn , uttryckt av en större känslighet för förändringar i ljusstyrka än färg. Färgsubsampling är ett viktigt sätt att minska storleken på en digital videodataström ( digital videokomprimering). Används i analoga och digitala tv- system , digital videoinspelning och bildkomprimeringsalgoritmer som JPEG .

I praktiken utförs bildkodning genom att minska upplösningen i färgskillnadskanalerna samtidigt som upplösningen i luminanskanalen bibehålls .

Historik

Metoden utvecklades först på 1950-talet av Alda Bedford för RCA färg-tv- systemet . Senare utvecklades den i NTSC- standarden . Men principen att separera ljusstyrka och färginformation uppfanns ännu tidigare - 1938 av Georges Valensi .

Introduktion

För kompatibilitet med en svartvit tv-signal och för möjligheten att minska den bandbredd som krävs för överföring av färginformation, använder färg-tv speciella summeringsscheman för de tre komponenterna i videosignalen Y' - betyder ljusstyrka och RY' och BY' - de så kallade färgskillnadssignalerna. För att digitalisera en komponentvideosignal i enlighet med rekommendationerna i ITU-R 601 används kodning enligt följande formler:

Vid överföring av sådana signaler är det möjligt att återställa de ursprungliga färgkomponenterna: röd (R), blå (B) och grön (G), som används i de flesta videoinformationsdisplaysystem.

När Y', Cr, Cb videosignalrepresentation färgskillnadskomponenter Cr, Cb sänds med en rumslig upplösning, två gånger mindre än upplösningen för luminanssignalen, medan samplingshastigheten för luminanssignalen Y' är inställd på 13,5 MHz, vilket är dubbelt så högt än för färgskillnadssignaler Cr och Cb - 6,75 MHz. För digitala standarder är bassamplingsfrekvensen 3,375 MHz, så samplingshastigheten för luminans- och två färgskillnadssignaler kommer att vara i förhållandet 4:2:2.

För HDTV - signaler , enligt del II av rekommendation ITU-R 709-3, är samplingsfrekvensen för luminanssignaler 74,25 MHz och krominans 37,125 MHz.

Delsamplingsformat

Samplingsstrukturen för en signal hänvisas till som förhållandet mellan de tre delarna X:a:b (t.ex. 4:2:2) som beskriver antalet sampel av luminans- och färgskillnadssignaler. En fyrdelad notation (4:2:2:4) används också ibland, där den fjärde siffran, om den ingår, måste vara identisk med den första siffran, vilket indikerar närvaron av en fjärde kanalsignal som innehåller transparensinformation (alfakanal) . Dessa delar är:

• X är samplingshastigheten för luminanskanalen, uttryckt av basfrekvensfaktorn (makropixelbredd)
• a är antalet sampel av färgskillnadssignaler (Cr, Cb) i horisontell riktning i den första raden
• b är antalet (ytterligare) färgskillnadsprover (Cr, Cb) i den andra raden
• Alfa är samplingshastigheten för alfakanalen (relativt den första siffran). Kan utelämnas om det inte finns någon alfakomponent och lika med X om det finns.

4:4:4

Var och en av de tre Y'CbCr-komponenterna har samma samplingshastighet. Detta schema används ibland i dyra skannrar och filmisk efterproduktion . Vanligtvis används HD-SDI- gränssnittet med dubbla länkar i SMPTE 372M-standarden för att tillhandahålla denna bandbredd . Den första anslutningen är för 4:2:2 signalöverföring, den andra anslutningen är för 0:2:2 signal, 4:4:4 kommer att sändas i kombination.

Det är värt att notera att "4:4:4" kan förstås som R'G'B' färgrymd , som inte har färgsubsampling alls. Videoformat som HDCAM SR kan spela in 4:4:4 R'G'B' digital video över dual-link HD-SDI .

4:2:2

Används i vetenskaplig forskning, professionella system och MPEG-2- formatet . Rekommendation 601 definierar en komposit digital videostandard med ett samplingshastighetsförhållande mellan luminans och färgskillnad på 4:2:2. I varje linje sänds signalen med full luminans, och för färgskillnadssignaler görs ett prov vartannat prov. Därmed halveras färgens horisontella upplösning.

4:2:1

Detta läge är också definierat tekniskt. Används i en begränsad uppsättning hård- och mjukvarukodare.

4:1:1

I förhållandet 4:1:1 reduceras den horisontella upplösningen för färgskillnadssignalerna till en fjärdedel av luminanssignalens fulla upplösning, och bandbredden minskas (ökad bandbredd) med en faktor två jämfört med icke- delsamplingsläge. 4:1:1 användes ursprungligen i DV , som inte ansågs sända och var det enda acceptabla videoinspelningsformatet för lågbudget- och konsumentapplikationer. För närvarande används DV-formatet (med 4:1:1 sampling) professionellt för nyhetsproduktion och videouppspelning via servrar.

I ett NTSC-system, om luminanssamplingshastigheten är 13,5 MHz, betyder detta att var och en av Cr- och Cb-signalerna kommer att samplas vid 3,375 MHz, vilket motsvarar en maximal Nyquist-bandbredd på 1,6875 MHz, medan den traditionella " NTSC High- End Analog Broadcast Encoder kommer att ha en Nyquist-frekvens på 1,5 MHz och 0,5 MHz för I/Q-kanaler. Men i de flesta delar av utrustningen, särskilt billiga TV-apparater och VHS/Betamax-videobandspelare, har färgkanalerna endast 0,5 MHz bandbredd för Cr och Cb (motsvarande för I/Q). Således ger systemet faktiskt ökad färgbandbredd över de bästa sammansatta analoga specifikationerna för NTSC, trots att den endast använder 1/4 av fullfärgsbandbredden för den "fulla" digitala signalen. Format som använder 4:1:1 inkluderar:

• DVCPRO (NTSC och PAL)
• NTSC DV och DVCAM
• D-7

4:2:0

Olika 4:2:0-konfigurationer finns i:

• Videokodningsstandarderna för ISO / IEC , MPEG , CCITT och "H.26x" Video Coding Experts Group, inklusive implementeringar av H.262/MPEG-2 Part 2 som DVD (även om vissa MPEG-4 Part 2 och H. 264 profiler /MPEG-4 AVC tillåter kodning med en samplingsstruktur av högre kvalitet, såsom 4:4:4 till exempel)
• PAL DV och DVCAM
• HDV
• AVCHD och AVC-Intra 50
• Apple Intermediate Codec
• De vanligaste implementeringarna av JPEG/JFIF och MJPEG
• VC-1

För färgskillnadskomponenterna Cb och Cr kasseras vartannat prov under provtagningen, både horisontellt och vertikalt. Det finns tre varianter av 4:2:0-scheman, som har olika horisontella och vertikala placeringar av avläsningar:

• Prover av färgskillnadskomponenter i formatet 4:2:0 som används i MPEG-2-komprimeringssystemet är inte inriktade med prover av ljusstyrkekomponenten.
• I JPEG/JFIF, H.261 och MPEG-1 är Cb och Cr inriktade och placerade mellan alternativa luminanssampel.
• I 4:2:0 DV är Cb- och Cr-kromaproverna justerade med bildens luminanskomponentsampler, kan erhållas från 4:2:2-prototypstrukturen genom att växelvis eliminera en kromakomponent i varannan rad i varje fält .

Denna typ av databehandling är särskilt väl lämpad för PAL- och SECAM-färgsystem. De flesta digitala PAL-videoformat använder 4:2:0 respektive, med undantag för DVCPRO25 som använder 4:1:1. Både 4:1:1 och 4:2:0 alternativ halverar bandbreddskraven jämfört med icke-nedsamplad representation.

4:1:0

Stöds av vissa codecs, men används inte i stor utsträckning. Detta förhållande använder hälften av den vertikala och en fjärdedel av den horisontella färgupplösningen, och endast en åttondel av bandbredden för den maximala färgupplösningen.

3:1:1

Används i Sony HDCAM (inte HDCAM SR) högupplöst videoinspelningsformat . I horisontell riktning samplas luminanssampel med tre fjärdedelar av full HD-samplingshastigheten - 1440 sampel per linje mot 1920 i HDCAM SR. I vertikal riktning är både luma- och krominanskanalerna helt HD-samplade (1080 sampel).

Terminologi

Termen Y'UV hänvisar till ett analogt kodningsschema medan Y'CbCr hänvisar till digitala kodningsscheman. En av skillnaderna mellan dem är att uppsättningen av koefficienter för U-, V- och Cb-, Cr-kromaticitetskomponenterna är olika. Emellertid missbrukas termen YUV ofta när man hänvisar till Y'CbCr-kodningen. Därför hänvisar uttryck som "4:2:2 YUV" alltid till "4:2:2 Y'CbCr" eftersom det helt enkelt inte finns något sådant som 4:x:x i en analog kodning som YUV.

Termen ljusstyrka och Y-symbolen används också ofta felaktigt, med hänvisning till ljusstyrkan, som betecknas med Y'-symbolen. Observera att luminansen (Y') som används av videotekniker avviker från luminansen (Y) i kolorimetri (enligt definitionen av CIE). Luminans (i TV) bildas som en viktad summa av RGB-komponenter med gammakorrigering (tricolor). Luminans bildas som en viktad summa av linjära (trefärgade) RGB-komponenter.

I CIE-praxis används symbolen Y ofta för att representera ljusstyrka. 1993 antog SMPTE EG 28 Engineer's Manual som klargör två termer. Observera att tecknet ' (streck) används för att indikera gammakorrigering.

Dessutom skiljer sig begreppet chroma/chroma hos videoingenjörer från chrominance i kolorimetri. Chroma/chroma i videoteknikpraxis bildas av viktade trefärgade icke-linjära komponenter. Termerna "krom" och "mättnad" används ofta omväxlande för att hänvisa till krominans.

Videoformat

Följande tabell visar egenskaperna för de flesta videoformat och de typer av chroma subsampling som används, såväl som andra relaterade parametrar som bithastighet och komprimeringsförhållande.

Se även

• Färgrymd _
• SMPTE  - Society of Motion Picture and Television Engineers
• Digital video
• HDTV
• YCbCr
• YPbPr
• CCIR 601 4:2:2 SDTV
• YUV

Litteratur

• Konstantin Glasman. Digital magnetisk videoinspelning. DV-format  // "625" : logg. - 2002. - Nr 03 . Arkiverad från originalet den 5 mars 2012.
• Andrey Ryakhin. Persondatorer och TV  // "625" : tidning. - 1996. - Nr 02 . Arkiverad från originalet den 5 mars 2012.
• Oleg Tatarnikov. Grafikkort med funktionen att digitalisera en analog videosignal  // ComputerPress  : magazine. - 1999. - Nr 07 .
• Oleg Tatarnikov. Metoder för digital videokomprimering  // ComputerPress  : magazine. - 2004. - Nr 08 .
•  (engelska) Poynton, Charles. "YUV och luminans anses vara skadliga: En vädjan om exakt terminologi i video" [1]
•  (engelska) Poynton, Charles. "Digital video och HDTV: Algoritmer och gränssnitt." USA: Morgan Kaufmann Publishers, 2003.
•  (engelska) Kerr, Douglas A. "Chrominance Subsampling in Digital Images" [2]