Weit verbreitete Chroma-Subsampling-Formate

Chroma-Subsampling oder Farb-Subsampling ist die Praxis, Bilder so zu kodieren, dass die Auflösung für Chroma -Informationen geringer ist als für Luma -Informationen. Dabei wird die geringere Sehschärfe des menschlichen Sehsystems für Farbunterschiede im Vergleich zu Luminanzunterschieden ausgenutzt. [ 1 ]

Es wird in vielen Video- und Standbildcodierungsverfahren verwendet – sowohl analog als auch digital – einschließlich der JPEG -Codierung.

Begründung

In voller Größe zeigt dieses Bild den Unterschied zwischen vier Subsampling-Verfahren. Beachten Sie die große Ähnlichkeit der Farbbilder. Die untere Zeile zeigt die Auflösung der Farbinformationen.

Digitale Signale werden häufig komprimiert, um die Dateigröße zu reduzieren und die Übertragungszeit zu verkürzen. Da das menschliche Sehsystem deutlich empfindlicher auf Helligkeits- als auf Farbunterschiede reagiert, lässt sich ein Videosystem optimieren, indem der Luminanzkomponente (üblicherweise mit Y' bezeichnet) mehr Bandbreite zugewiesen wird als den Farbdifferenzkomponenten Cb und Cr . In komprimierten Bildern benötigt beispielsweise das 4:2:2 Y'CbCr -Schema nur zwei Drittel der Bandbreite des nicht unterabgetasteten „4:4:4“ R'G'B' . [ a ] Diese Reduzierung führt dazu, dass der Betrachter kaum einen visuellen Unterschied wahrnimmt.

Wie funktioniert Subsampling?

Das menschliche Sehsystem verarbeitet Farbinformationen ( Farbton und Farbsättigung ) mit etwa einem Drittel der Auflösung von Luminanzinformationen (Helligkeits-/Dunkelheitsinformationen in einem Bild). Daher ist es möglich, Farbinformationen mit einer geringeren Auflösung zu erfassen und gleichzeitig eine gute Bildqualität zu erhalten.

Dies wird erreicht, indem RGB- Bilddaten in ein zusammengesetztes Schwarzweißbild mit separaten Farbdifferenzdaten ( Chroma ) kodiert werden. Beispielsweise werden bei der Gammakodierung die Komponenten gewichtet und anschließend summiert, um die Luminanzkomponente ( Luma ) zu erzeugen . Die Farbdifferenzkomponenten entstehen durch Subtraktion zweier der gewichteten Komponenten von der dritten. Verschiedene Filterverfahren können eingesetzt werden, um die Auflösung zu begrenzen.

Bezüglich Gamma- und Übertragungsfunktionen

Die Gamma-kodierte Luminanz darf nicht mit der linearen Luminanz verwechselt werden . Das Vorhandensein einer Gamma-Kodierung wird durch das Apostroph-Symbol gekennzeichnet .

Aufgrund der nichtlinearen Reaktion des menschlichen Sehvermögens werden Gamma-korrigierte elektrooptische Übertragungsfunktionen (EOTF) verwendet. Die Verwendung von Gamma verbessert das wahrgenommene Signal-Rausch-Verhältnis in analogen Systemen und ermöglicht eine effizientere Datenkodierung in digitalen Systemen. Diese Kodierung verwendet mehr Stufen für dunklere als für hellere Farben, um der Empfindlichkeit des menschlichen Sehvermögens Rechnung zu tragen. [ 2 ]

Probenahmesysteme und -verhältnisse

Das Subsampling-Schema wird üblicherweise als dreiteiliges Verhältnis J : a : b (z. B. 4 : 2 : 2) oder, falls ein Alphakanal vorhanden ist, als vierteiliges Verhältnis (z. B. 4 : 2 : 2 : 4) ausgedrückt. Dieses Verhältnis beschreibt die Anzahl der Luminanz- und Chrominanzabtastwerte in einem konzeptionellen Bereich mit einer Breite von J Pixeln und einer Höhe von 2 Pixeln. Die einzelnen Teile sind (in ihrer jeweiligen Reihenfolge):

  • J : Referenzwert für die horizontale Abtastung (Breite des konzeptionellen Bereichs). Üblicherweise 4.
  • a : Anzahl der Chrominanzproben ( Cr , Cb ) in der ersten Zeile von J Pixeln.
  • b : Anzahl der Änderungen der Chrominanzwerte ( Cr , Cb ) zwischen der ersten und zweiten Zeile der J Pixel. b ist üblicherweise entweder null oder gleich a (außer in seltenen Sonderfällen wie 4:4:1 und 4:2:1, die dieser Konvention nicht folgen).
  • Alpha : Horizontaler Faktor (bezogen auf die erste Ziffer). Kann weggelassen werden, wenn keine Alpha-Komponente vorhanden ist, und ist gleich J, wenn vorhanden.

Diese Notation ist nicht für alle Kombinationen gültig und weist Ausnahmen auf, z. B. 4:1:0 (wobei die Höhe des Bereichs nicht 2 Pixel, sondern 4 Pixel beträgt, sodass bei Verwendung von 8 Bit pro Komponente das Medium 9 Bit pro Pixel hätte) und 4:2:1.

4:1:14:2:04:2:24:4:04:4:4
Y'CrCb 
 
=====
Y' 
 
+++++
1234J= 4 1234J= 4 1234J= 4 1234J= 4 1234J= 4
(Cr, Cb)1A=  112A=  212A=  21234A=  41234A=  4
1B=  1B=  012B=  2B=  01234B=  4
¼ horizontale Auflösung, volle vertikale Auflösung½ horizontale Auflösung, ½ vertikale Auflösung½ horizontale Auflösung, volle vertikale Auflösungvolle horizontale Auflösung, halbe vertikale Auflösungvolle horizontale Auflösung, volle vertikale Auflösung

Die angegebenen Mapping-Beispiele sind rein theoretischer Natur und dienen der Veranschaulichung. Das Diagramm berücksichtigt keine Farbfilterung, die jedoch zur Vermeidung von Aliasing angewendet werden sollte . Um den erforderlichen Bandbreitenfaktor relativ zu 4:4:4 (oder 4:4:4:4) zu berechnen, müssen alle Faktoren addiert und das Ergebnis durch 12 (bzw. 16, falls Alpha vorhanden ist) geteilt werden.

Arten der Stichprobenziehung und Teilstichprobenziehung

4:4:4

4:4:4-Stichprobe

Alle drei Y'CbCr- Komponenten haben die gleiche Abtastrate, daher findet keine Farbunterabtastung statt. Dieses Verfahren wird gelegentlich in hochwertigen Filmscannern und in der filmischen Nachbearbeitung eingesetzt.

Die Bezeichnung „4:4:4“ bezieht sich möglicherweise fälschlicherweise auf den RGB- Farbraum, der implizit ebenfalls keine Chroma-Subsampling-Funktion besitzt (außer bei JPEG, wo RGB subsampelt werden kann). Formate wie HDCAM SR können 4:4:4 RGB über Dual-Link HD-SDI aufzeichnen .

4:2:2

4:2:2-Stichprobe

Die beiden Chroma-Komponenten werden mit der halben horizontalen Abtastrate der Luma-Komponente abgetastet: Die horizontale Chroma-Auflösung halbiert sich. Dadurch verringert sich die Bandbreite eines unkomprimierten Videosignals um ein Drittel, was bedeutet, dass für 8 Bit pro Komponente ohne Alpha (24 Bit pro Pixel) nur 16 Bit ausreichen, wie bei NV16.

Viele hochwertige digitale Videoformate und Schnittstellen nutzen dieses Schema:

4:1:1

Bei der 4:1:1-Chroma-Subsampling-Methode wird die horizontale Farbauflösung geviertelt und die Bandbreite im Vergleich zu keiner Chroma-Subsampling-Methode halbiert. Ursprünglich galt die 4:1:1-Chroma-Subsampling-Methode des DV- Formats nicht als sendetauglich und war nur für einfache Anwendungen und Consumer-Geräte akzeptabel. [ 3 ] [ 4 ] DV -basierte Formate (von denen einige 4:1:1-Chroma-Subsampling nutzen) werden jedoch professionell in der elektronischen Nachrichtenproduktion und auf Sendeservern eingesetzt. DV findet zudem vereinzelt Anwendung in Spielfilmen und der digitalen Kinematografie .

Im 480i- „NTSC“-System bedeutet eine Abtastrate der Luminanz von 13,5 MHz, dass die Chroma- und Cb- Signale jeweils mit 3,375 MHz abgetastet werden. Dies entspricht einer maximalen Nyquist- Bandbreite von 1,6875 MHz. Herkömmliche analoge NTSC- Encoder für den Rundfunk weisen hingegen eine Nyquist-Bandbreite von 1,5 MHz bzw. 0,5 MHz für die I/Q -Kanäle auf. In den meisten Geräten, insbesondere in günstigen Fernsehgeräten und VHS- / Betamax -Videorecordern , verfügen die Chroma-Kanäle jedoch nur über eine Bandbreite von 0,5 MHz für Chroma und Cb (bzw. entsprechend für I/Q). Somit bietet das Dolby-Video-System trotz seiner nur ein Viertel der Chroma-Bandbreite eines „vollwertigen“ digitalen Signals eine überlegene Farbbandbreite im Vergleich zu den besten analogen Composite- Spezifikationen für NTSC.

Zu den Formaten, die 4:1:1-Chroma-Subsampling verwenden, gehören:

4:2:0

4:2:0 mit Probenahme in der Mitte des 2×2-Quadrats
4:2:0 mit Abtastung in der Mitte der linken Kante des 2×2-Quadrats

Bei 4:2:0 ist die horizontale Abtastung im Vergleich zu 4:1:1 verdoppelt. Da die Cb- und Cr- Kanäle in diesem Verfahren jedoch nur jede zweite Zeile abgetastet werden, halbiert sich die vertikale Auflösung. Die Datenrate bleibt dabei gleich. Dies passt gut zum PAL- Farbcodierungssystem, da dieses nur die halbe vertikale Farbauflösung von NTSC aufweist. Es würde auch hervorragend zum SECAM -Farbcodierungssystem passen , da 4:2:0 wie dieses Format nur einen Farbkanal pro Zeile speichert und überträgt (der andere Kanal wird aus der vorherigen Zeile extrahiert). Allerdings gibt es bisher nur wenige Geräte, die ein analoges SECAM-Videosignal ausgeben können. In SECAM-Gebieten muss daher in der Regel entweder ein PAL-fähiges Display oder ein Transcoder verwendet werden , um das PAL-Signal für die Anzeige in SECAM umzuwandeln.

Verschiedene Varianten der 4:2:0-Chroma-Konfigurationen finden sich in:

Cb und Cr werden jeweils horizontal und vertikal um den Faktor 2 unterabgetastet. Die meisten digitalen Videoformate, die 576i „PAL“ entsprechen, verwenden eine 4:2:0-Chroma-Unterabtastung.

Probenahmepositionen

Es gibt vier Hauptvarianten des 4:2:0-Schemas, die sich durch eine unterschiedliche horizontale und vertikale Abtastung relativ zum 2×2-"Quadrat" der ursprünglichen Eingangsgröße auszeichnen. [ 16 ]

  • In MPEG-2, MPEG-4 und AVC werden Cb und Cr in der Mitte der linken Kante des 2×2-Quadrats positioniert. Das heißt, sie haben dieselbe horizontale Position wie das Pixel oben links, sind aber vertikal um ein halbes Pixel nach unten verschoben. [ 17 ]
  • In JPEG/JFIF, H.261 und MPEG-1 werden Cb und Cr in der Mitte eines 2×2-Quadrats gemessen. Das heißt, sie sind um jeweils ein halbes Pixel nach rechts und unten gegenüber dem oberen linken Pixel versetzt. Dieser Punkt wird auch als „Mitte“ bezeichnet. [ 17 ]
  • In HEVC für BT.2020- und BT.2100 -Inhalte (insbesondere auf Blu-rays) werden Cb und Cr an derselben Position wie das obere linke Y-Pixel der Gruppe abgetastet („ko-sited“, „ko-located“). Auch als „oben links“ bezeichnet. Eine analoge ko-site Abtastung wird in MPEG-2 4:2:2 verwendet. [ 17 ]
  • Im 4:2:0 PAL-DV-Format (IEC 61834-2) wird Cr an der gleichen Position wie das oberste linke Y-Pixel der Gruppe abgetastet, Cb jedoch ein Pixel weiter unten. [ 18 ] In ffmpeg wird diese Position auch als „top-left“ bezeichnet. [ 17 ]
Interlaced und progressiv

Bei Interlaced -Material kann die 4:2:0-Chroma-Unterabtastung zu Bewegungsartefakten führen, wenn sie analog zu Progressive-Material implementiert wird. Die Luma-Abtastwerte werden aus separaten Zeitintervallen abgeleitet, während die Chroma-Abtastwerte aus beiden Zeitintervallen stammen. Genau dieser Unterschied kann Bewegungsartefakte verursachen. Der MPEG-2-Standard erlaubt ein alternatives Interlaced-Abtastverfahren, bei dem 4:2:0 auf jedes Halbbild einzeln angewendet wird (nicht auf beide gleichzeitig). Dies behebt das Problem der Bewegungsartefakte, halbiert jedoch die vertikale Chroma-Auflösung und kann kammartige Artefakte im Bild erzeugen.

Original. Dieses Bild zeigt ein einzelnes Feld. Der bewegte Text ist mit einer Bewegungsunschärfe versehen.

4:2:0 -Progressivabtastung angewendet auf bewegtes Zeilensprungmaterial . Die Farbsättigung eilt dem bewegten Text voraus und folgt ihm nach. Dieses Bild zeigt ein einzelnes Halbbild.

4:2:0 -Interlaced- Abtastung angewendet auf bewegtes Interlaced- Material. Dieses Bild zeigt ein einzelnes Halbbild.

In the 4:2:0 interlaced scheme, however, vertical resolution of the chroma is roughly halved, since the chroma samples effectively describe an area 2 samples wide by 4 samples tall instead of 2×2. As well, the spatial displacement between both fields can result in the appearance of comb-like chroma artifacts.

Original still image.

4:2:0 progressive sampling applied to a still image. Both fields are shown.

4:2:0 interlaced sampling applied to a still image. Both fields are shown.

If the interlaced material is to be de-interlaced, the comb-like chroma artifacts (from 4:2:0 interlaced sampling) can be removed by blurring the chroma vertically.[19]

4:1:0

This ratio is possible, and some codecs support it, but it is not widely used. This ratio uses half of the vertical and one-fourth the horizontal color resolutions, with only one-eighth of the bandwidth of the maximum color resolutions used. Uncompressed video in this format with 8-bit quantization uses 10 bytes for every macropixel (which is 4×2 pixels) or 10 bit for every pixel. It has the equivalent chrominance bandwidth of a PAL-I or PAL-M signal decoded with a delay line decoder, and still very much superior to NTSC.

3:1:1

Used by Sony in their HDCAM High Definition recorders (not HDCAM SR). In the horizontal dimension, luma is sampled horizontally at three quarters of the full HD sampling rate – 1440 samples per row instead of 1920. Chroma is sampled at 480 samples per row, a third of the luma sampling rate. In the vertical dimension, both luma and chroma are sampled at the full HD sampling rate (1080 samples vertically).

Different Cb and Cr rates

A number of legacy schemes allow different subsampling factors in Cb and Cr, similar to how a different amount of bandwidth is allocated to the two chroma values in broadcast systems such as CCIR System M. These schemes are not expressible in J:a:b notation. Instead, they adopt a Y:Cb:Cr notation, with each part describing the amount of resolution for the corresponding component. It is unspecified whether the resolution reduction happens in the horizontal or vertical direction.

  • In JPEG, 4:4:2 and 4:2:1 half the vertical resolution of Cb compared to 4:4:4 and 4:4:0.[20]
  • In another version of 4:2:1, Cb horizontal resolution is half that of Cr (and a quarter of the horizontal resolution of Y).
  • 4:1:0.5 or 4:1:0.25 are variants of 4:1:0 with reduced horizontal resolution on Cb, similar to VHS quality.

Artifacts

Original image without color subsampling. 200% zoom.
Image after color subsampling (Sony Vegas DV codec, box filtering.)
Note the bleeding in lightness near the borders.

Bei der Chroma-Subsampling treten zwei Hauptarten von Artefakten auf, die zu einer stärkeren Verschlechterung führen als beabsichtigt, insbesondere dort, wo sich Farben abrupt ändern.

Gamma-Luminanzfehler

Bei Gamma-korrigierten Signalen wie Y'CbCr besteht das Problem, dass Farbfehler in die Helligkeit „überlaufen“. Bei diesen Signalen lässt eine niedrige Farbsättigung eine Farbe weniger hell erscheinen als eine mit gleicher Helligkeit. Wenn sich eine gesättigte Farbe mit einer ungesättigten oder komplementären Farbe vermischt, kommt es daher zu einem Helligkeitsverlust an der Grenze. Dies ist im Beispiel zwischen Magenta und Grün zu sehen. [ 21 ] Dieses Problem besteht auch bei HDR-Videos, wo Gamma in eine Transferfunktion („ EOTF “) verallgemeinert wird. Eine steilere EOTF führt zu einem stärkeren Helligkeitsverlust. [ 22 ]

Folgende Korrekturen werden für dieses Problem vorgeschlagen:

  • Luma-gewichteter Mittelwert (Kornelski, Experiment für mozjpeg) [ 23 ]
  • Iteratives Sharp-YUV -Verfahren, verwendet von WebP und optional von AVIF . Sharp YUV setzt eine bilineare Hochskalierung der Farbsättigung voraus. [ 24 ]
  • RGB-Subsampling im linearen Farbraum vor dem Chroma-Subsampling (HDRTools) [ 22 ]
  • Iterative oder geschlossene Luma-Korrektur zur Minimierung des Luminanzfehlers (HDRTools) [ 25 ]

Rec. 2020 definiert eine „konstante Luminanz“ Yc'CbcCrc, die aus linearen RGB-Komponenten berechnet und anschließend gamma-kodiert wird. Diese Version weist konstruktionsbedingt keinen Luminanzverlust auf. [ 26 ]

Farbraumbeschneidung

Ein weiteres Artefakt, das bei der Chroma-Subsampling auftreten kann, ist das Auftreten von Farben außerhalb des Farbraums bei der Chroma-Rekonstruktion. Angenommen, das Bild besteht aus abwechselnden roten und schwarzen Linien mit je einem Pixel Länge und beim Subsampling wird die Chroma für die schwarzen Pixel weggelassen. Die Chroma der roten Pixel wird auf die schwarzen Pixel rekonstruiert, wodurch die neuen Pixel positive Rot- und negative Grün- und Blauwerte aufweisen. Da Displays kein negatives Licht ausgeben können (negatives Licht existiert nicht), werden diese negativen Werte effektiv abgeschnitten, und der resultierende Luminanzwert ist zu hoch. Andere Subsampling-Filter (insbesondere der Mittelwertfilter) weisen ein ähnliches Problem auf, das sich jedoch schwerer anhand eines einfachen Beispiels veranschaulichen lässt. Ähnliche Artefakte treten auch im weniger künstlichen Beispiel der Farbabstufung in der Nähe einer relativ scharfen Rot/Schwarz-Grenze auf. [ 21 ]

Der Decoder kann Farben außerhalb des Farbraums verarbeiten, indem er berechnet, wie viel Farbsättigung ein bestimmter Luminanzwert aufnehmen kann, und diese entsprechend auf das 4:4:4-Zwischenbild verteilt. Dieses Verfahren wird von Glenn Chan als „Farbsättigungsrekonstruktion“ bezeichnet. Die „Proportion“-Methode ähnelt im Prinzip Kornelskis luma-gewichtetem Mittelwert, während die „Spill“-Methode der Fehlerdiffusion ähnelt . [ 21 ] Die Verbesserung der Farbsättigungsrekonstruktion ist weiterhin Gegenstand aktueller Forschung. [ 27 ]

Terminologie

Der Begriff Y'UV bezeichnet ein analoges TV-Codierungsverfahren (ITU-R Rec. BT.470), während Y'CbCr ein digitales Codierungsverfahren beschreibt. [ 2 ] Ein Unterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, dass die Skalierungsfaktoren der Chromakomponenten (U, V, Cb und Cr) unterschiedlich sind. Der Begriff YUV wird jedoch häufig fälschlicherweise synonym mit Y'CbCr-Codierung verwendet. Daher beziehen sich Ausdrücke wie „4:2:2 YUV“ immer auf 4:2:2 Y'CbCr, da es in der analogen Codierung (wie z. B. YUV) keine 4:x:x-Formate gibt. Auch die in Y'CbCr verwendeten Pixelformate können als YUV bezeichnet werden, beispielsweise yuv420p, yuvj420p und viele andere.

Ähnlich verhält es sich mit der Luminanz, deren Symbol Y oft fälschlicherweise synonym mit Luma verwendet wird, welches mit dem Symbol Y' bezeichnet wird. Die Luma (Y') in der Videotechnik weicht von der Luminanz (Y) der Farblehre (gemäß CIE- Definition ) ab. Luma ergibt sich als gewichtete Summe gammakorrigierter (Tristimulus-)RGB-Komponenten. Luminanz hingegen ergibt sich als gewichtete Summe linearer (Tristimulus-)RGB-Komponenten. In der Praxis wird das CIE- Symbol Y häufig fälschlicherweise für Luma verwendet. 1993 verabschiedete die SMPTE die Engineering Guideline EG 28, um die beiden Begriffe zu klären. Das Apostroph ' kennzeichnet die Gammakorrektur. [ 28 ]

Ebenso unterscheidet sich die Chroma in der Videotechnik von der Chrominanz in der Farbwissenschaft. Die Chroma in der Videotechnik wird aus gewichteten Tristimulus-Komponenten (gammakorrigiert, OETF) und nicht aus linearen Komponenten gebildet. In der Videotechnik werden die Begriffe Chroma , Chrominanz und Sättigung oft synonym verwendet, was jedoch laut ITU-T Rec H.273 nicht empfehlenswert ist. [ 29 ]

Geschichte

Die Chroma-Subsampling-Methode wurde in den 1950er Jahren von Alda Bedford für die Entwicklung des Farbfernsehens durch RCA entwickelt und führte zum NTSC- Standard. Die Luminanz-Chroma-Trennung wurde bereits 1938 von Georges Valensi entwickelt . Seine Studien zeigten, dass das menschliche Auge nur Schwarz und Weiß hochauflösend wahrnimmt, die Auflösung für mittlere Farben wie Gelb und Grün etwas geringer und für die Farben am Spektrumrand, Rot und Blau, deutlich geringer ist. Dieses Wissen ermöglichte es RCA, ein System zu entwickeln, bei dem der größte Teil des blauen Signals nach dem Verlassen der Kamera verworfen wurde, während der größte Teil des grünen und nur ein Teil des roten Signals erhalten blieb. Dies ist die Chroma-Subsampling-Methode im YIQ -Farbraum und ist in etwa analog zur 4:2:1-Subsampling-Methode, da die Auflösung für Luminanz, Gelb/Grün und Rot/Blau abnimmt.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Die Apostrophe kennzeichnen eine Gammakorrektur oder eine nichtlineare EOTF.

Referenzen

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