Что это такое и почему это важно?

Компьютеры работают с цветовыми пространствами RGB, смешивая комбинации красного, зеленого и синего цветов для отображения цветов на экране. Но RGB не подходит для хранения и передачи, так как имеет избыточность.

К счастью, человеческое восприятие можно обмануть с помощью техники, известной как субдискретизация цветности. Это тип сжатия неподвижных изображений и видео, который отбрасывает некоторую информацию о цвете без ухудшения воспринимаемого визуального качества.

Это помогает уменьшить размер файла и использование полосы пропускания.

Следуйте вместе с нами, чтобы узнать, как работает подвыборка цветности, как различные режимы выборки влияют на качество изображения и как наилучшим образом настроить свои устройства.

Что такое субдискретизация цветности? Что это делает?

Зрительная система человека гораздо хуже понимает изменения цветовых различий, чем яркости. Подвыборка цветности использует этот факт, уменьшая количество информации о цвете в исходном сигнале, чтобы вместо этого предоставить больше данных о яркости. Другими словами, компоненты цвета сэмплируются с более низким разрешением, чем яркость.

Уменьшение информации о цвете позволяет видеосигналу эффективно передаваться по кабелям HDMI с ограниченной пропускной способностью и через Интернет. Поскольку ваш глаз гораздо менее чувствителен к цвету, чем к яркости, вы не заметите существенной разницы в качестве при просмотре любимых фильмов.

Подвыборка цветности также используется в кодировании JPEG.

RGB против YUV против YCbCr

В цифровом видео и фотографии компонент яркости — или яркость — обычно обозначается Y. Цветовые данные (называемые цветностью или просто цветностью) состоят из двух разных компонентов: Cb (синяя проекция) и Cr (красная проекция). Их комбинация, известная как YCbCr, определяет цвета, которые вы видите на экране.

Устройства обработки изображений, такие как видеокамеры, используют составные аналоговые сигналы (YUV), которые могут быть закодированы в цифровом виде как YCbCr. Поскольку проекционные устройства, такие как телевизоры и телефон в вашем кармане, вместо этого работают с RGB, они преобразуют цифровой сигнал YCbCr обратно в цветовое пространство RGB перед отображением изображений.

Общие типы субдискретизации цветности

Цветовое пространство YCbCr поддерживает несколько схем субдискретизации цветности, выраженных как отношение A:B:C. A — горизонтальная ширина области выборки в пикселях, B — количество выборок цветности (Cr, Cb) в первой строке, а C — выборка по вертикали.

Например, схема 4:2:2 определяет сегмент из четырех пикселей по горизонтали в две строки. Он сэмплирует четыре элемента яркости и смешивает их с двумя элементами цветности (один Cr и один Cb).

4:4:4, 4:2:2 и 4:2:0: в чем разница?

Ниже приведены наиболее распространенные комбинации субдискретизации цветности:

• 4:4:4 используется для несжатого сигнала без уменьшения цвета. Вы получаете полное горизонтальное и вертикальное цветовое разрешение без потери качества. Есть еще 4:4:4:4, где четвертая четверка — это канал прозрачности.
• 4:2:2 имеет вдвое меньшую цветность, чем 4:4:4, уменьшая горизонтальное цветовое разрешение вдвое по сравнению с яркостью. Он уменьшает размер файла несжатого сигнала на одну треть, почти без артефактов сжатия. Таким образом, 4:2:2 часто используется в игровых и профессиональных видеоформатах, таких как Digital Betacam, DVCPRO 50 и MPEG-2.
• 4:2:0 передает четверть сэмплов яркости. Выбирается только половина пикселей в первой строке, а вторая строка отбрасывается. С уменьшенной вдвое частотой дискретизации по горизонтали и вертикали формат 4:2:0 практически сохраняет визуальное качество без потерь. Эти функции помогли превратить его в отраслевой стандарт для фильмов, телешоу и спорта.

Использование сэмплирования 4:4:4 для мультимедиа дает небольшое визуальное преимущество. Вот почему большинство цифровых видеокамер и многие фильмы Blu-ray используют кодировку 4:2:0. А в тех случаях, когда вам нужно экспортировать видео из Premiere Pro на свой компьютер, популярные видеокодеки, такие как MPEG-1, MPEG-2 и H.261/263, также поддерживают формат 4:2:0.

4:2:1 против 4:1:1 против 4:4:0

Другие схемы выборки широко не используются, например, приведенные ниже примеры.

• 4:2:1 — это несколько устаревший режим дискретизации с разрешением по горизонтали Cb вдвое меньше, чем у Cr, и в четверть разрешения по горизонтали Y.
• 4:1:1 четверть разрешения цветности и половина пропускной способности, что влияет на визуальное качество. Хотя в некоторых форматах цифрового видео, таких как DV, DVCAM и DVCPRO, используется формат 4:1:1, этот режим дискретизации не соответствует вещательному качеству.
• 4:4:0 вдвое уменьшает коэффициент дискретизации по вертикали, но сохраняет его по горизонтали.

Подвыборка цветности в тексте, приложениях и мультимедиа

Различные режимы субдискретизации цветности предназначены для конкретных случаев использования.

Никому не нравится видеть артефакты сжатия на высококонтрастном, идеальном по пикселям содержимом, таком как текст поверх плоского цвета. Вот почему компьютеры, телефоны, планшеты и игровые консоли используют исключительно дискретизацию 4:4:4. Кодирование мультимедиа с форматом 4:4:4 является излишеством — нет заметной визуальной разницы, а размер файла зашкаливает.

Как проверить субдискретизацию цветности

Самый простой способ проверить субдискретизацию цветности – это цифровая тестовая карта, встроенная в ваш телевизор, также известная как «начальный тест» или «тестовый шаблон». Включение этой функции в настройках вашего телевизора приведет к выводу набора шаблонов и калиброванных цветных полос.

Цветные полосы на вашем телевизоре не только позволяют проверить, используется ли субдискретизация цветности, но и гарантируют, что выходной сигнал соответствует цвету и тону исходного сигнала.

Если вы не можете найти эту опцию, поищите в Google «тестовые шаблоны подвыборки цветности» или используйте тестовое изображение цветности, предоставленное RINGS. Откройте это изображение на компьютере или просмотрите его на телевизоре. Обязательно установите масштабирование на 100 %, прежде чем искать характерные артефакты, такие как нечеткие края текста, растекание цвета и размытие линий и текста.

Если их нет, ваш телевизор использует режим дискретизации 4:4:4 без сжатия.

Как выбрать лучшую субдискретизацию цветности

Вооружившись всеми этими знаниями, вы должны иметь общее представление о субдискретизации цветности и о том, как работают различные режимы сжатия.

Как правило, ваши кабели HDMI должны поддерживать как 4:2:0, так и 4:2:2. Чтобы наслаждаться несжатым видео 4:4:4 без субдискретизации цветности, вам понадобится сверхвысокоскоростной кабель HDMI с заявленной пропускной способностью в диапазоне 18–48 Гбит/с.

Если вы подключаете компьютер, телевизионную приставку или игровую консоль к телевизору, обязательно установите формат видео YCbCr/YUV (не беспокойтесь о нечеткости текста в играх — современные графические движки учитывают субдискретизацию цветности) .

• LG: Зайдите в настройки изображения и включите глубокий цвет HDMI ULTRA HD. Теперь нажмите кнопку «Вход», выберите «Все входы» и выберите порт для использования этого режима.
• TLC: 4:4:4 должно быть включено по умолчанию при подключении ПК. Если нет, то обязательно установите тип ввода «Компьютер» в интерфейсе настроек.
• Samsung: перейдите в меню «Настройки» и нажмите «Экспертные настройки» под заголовком «Настройки изображения». Теперь прокрутите вниз до цвета HDMI UHD в нижней части экрана, выберите вход, который будет использовать 4:4:4:, и установите его в режим ПК.
• Sony: откройте «Настройки» и перейдите в меню «Внешние входы», затем выберите «Расширенный формат HDMI». Вы также должны установить режим изображения «Графика» в настройках изображения.
• Vizio: выберите ввод в настройках дисплея приложения SmartCast. Теперь выберите цветовую субдискретизацию HDMI, назначьте ее нужному входному порту, затем установите для нее значение «Компьютер».

Для медиастримеров, таких как Apple TV, установите для выходного сигнала HDMI значение YCbCr в настройках.

В конце концов, субдискретизация цветности имеет значение

Понимание того, как работает субдискретизация цветности, поможет вам не только расшифровать значение этих странных аббревиатур, напечатанных рядом с портами ввода-вывода на задней панели вашего телевизора, но и выбрать правильную настройку для оптимального качества изображения.

Без субдискретизации цветности видеопотоки 4K будут заикаться, и вам потребуются тонны памяти только для сохранения фильмов и изображений, снятых на ваш телефон.