Cosa è 4: 4: 4, 4: 2: 2 e 4: 2: 0 o colore di sottocampionamento

È possibile che ad un certo punto tu abbia sentito parlare dei termini luminanza e crominanza, anche se non hai capito esattamente cosa significassero questi concetti o quali fossero le loro funzioni specifiche. Entrambi i termini vengono utilizzati anche quando è necessario il sottocampionamento o il sottocampionamento del colore.

Quando vengono letti i set di cifre 4: 4: 4, 4: 2: 2 e 4: 2: 0 significa che attraverso queste notazioni viene espressa una formula video relativa al sottocampionamento cromatico (chiamato anche sottocampionamento crominanza).. Queste combinazioni di numeri possono essere trovate in foto e video, ecco perché è necessario sapere a cosa servono.

Prima di analizzare queste notazioni, si deve considerare che sia il contenuto nelle foto che nei video rallenta la loro distribuzione, in relazione ai limiti offerti dalla banda larga.

In questo scenario e per ottenere una maggiore velocità di compressione e trasferimento dei contenuti audiovisivi, viene utilizzato il sottocampionamento della crominanza, ampiamente utilizzato in vari formati di contenuto, come dischi Blu-ray e servizi di streaming.

Indice dei contenuti

Che cos'è il sottocampionamento o il sottocampionamento chroma?

Il sottocampionamento cromatico (sottocampionamento del colore) è una tecnica mediante la quale le informazioni sul colore contenute in un segnale vengono compresse per favorire le informazioni contenute nella luminanza. In questo modo, la larghezza di banda è ridotta, ma senza influire sulla qualità di questa immagine compressa.

Diversi anni fa, con l'introduzione del video digitale, i video hanno pesato molto, rendendo difficile la loro trasmissione e memorizzazione. Nel tentativo di trovare una soluzione a questi problemi di dimensioni, è arrivato il sottocampionamento della crominanza.

Se esaminiamo la composizione di tutti i video digitali, troveremo due componenti principali che chiamiamo luminanza e crominanza.

Il primo termine, che conosciamo anche luminosità o contrasto, comprende tutte le differenze che vediamo tra le aree più scure e più chiare del video.

Da parte sua, la crominanza è il componente della saturazione del colore del video. Poiché la visione di un essere umano ha una maggiore sensibilità al contrasto (luminanza) rispetto alla saturazione del colore (crominanza), è stato deciso che c'era una parte del video che poteva essere compressa senza influire sulla sua qualità.

Pertanto, per semplificare la gestione dei video digitali, è stata implementata la tecnica di compressione. Ciò significa che un segnale video a colori reali (4: 4: 4) in cui troviamo tutte le informazioni di rosso, verde e blu in ciascun pixel, questo verrà compresso se viene applicato il sottocampionamento cromatico, rendendolo il suo trasferimento è più leggero e richiede meno larghezza di banda quando il colore è già stato rimosso.

Una volta che l'immagine è compressa, la qualità del bianco e nero non sarà inferiore alla qualità dei colori, poiché, come indicato, la visione umana ha meno capacità di assimilare la crominanza. In questo modo, dopo il sottocampionamento, il video avrà più luminanza delle informazioni di crominanza.

Con questo è possibile mantenere la qualità dell'immagine mentre si fa una riduzione significativa delle sue dimensioni fino al 50%. In alcuni formati come YUV, la quantità di luminanza raggiunge solo un terzo del totale, quindi esiste un ampio margine per ridurre la crominanza e quindi ottenere una maggiore compressione.

Tenendo conto del fatto che ci sono alcune limitazioni nelle velocità che costituiscono le ampie bande di Internet e HDMI, ad esempio, questa compressione consente di trasmettere un video digitale con maggiore efficienza.

Entrambi i monitor CRT, i display LCD e i dispositivi di accoppiamento di carica (CCD) utilizzano i componenti per acquisire i colori rosso, verde e blu. Tuttavia, in un video digitale viene fatta una distinzione tra luma e chroma solo per essere in grado di effettuare una compressione e renderla più leggera per la trasmissione.

Esistono diversi metodi di sottocampionamento del chroma che usano diverse notazioni che spiegheremo brevemente, osservando che il primo numero è per luma e il secondo e il terzo numero sono per chroma.

Metodi di campionamento / sottocampionamento del colore

4: 4: 4

Questa è la risoluzione completa e originale, in cui non vi è alcuna compressione di alcun tipo, con il primo numero che indica la luminanza (4) e i seguenti due numeri (4: 4) utilizzati per i componenti Chroma Cb e Cr. Questa notazione 4: 4: 4 è comunemente usato per le immagini RGB, sebbene sia usato anche per lo spazio colore YCbCr.

4: 2: 2

Nel primo numero vediamo una piena risoluzione del luma, mentre vediamo una mezza risoluzione per la crominanza. Questa notazione è lo standard nelle immagini e porta una compressione che non influisce sulla qualità dell'immagine. È utilizzato per i formati video DVCpro50 e Betacam Digital, tra gli altri.

4: 1: 1

Ancora una volta, abbiamo un luma a piena risoluzione, mentre ora abbiamo ancora meno crominanza - solo un quarto. Questo è lo schema di sottocampionamento utilizzato dai formati DVTSRO DV e PAL NTSC.

4: 2: 0

Questa notazione indica che la risoluzione della luminanza è completa (4), mentre ha una mezza risoluzione in direzione verticale e orizzontale per i componenti di crominanza. In realtà 4: 2: 0 è un campionamento del colore piuttosto difficile che include molte varianti considerando se il video è interlacciato o progressivo o se viene utilizzato da MPEG2 o PAL DV.

Con questo campionamento 4: 2: 0, ottieni una risoluzione di 1/4 colore, proprio come il campionamento 4: 1: 1. Tuttavia, nel primo caso il colore viene compresso in orizzontale e in verticale, mentre nella seconda notazione la compressione è orizzontale.

Sottocampionamento colore 1920 x 1080

L'HDTV analogica è stata seguita dall'HDTV digitale, una tecnologia di qualità e risoluzione superiori. Tuttavia, ha anche rappresentato una grande sfida per gli ingegneri, dal momento che hanno dovuto creare un modulo che rendesse possibile l'utilizzo di questa nuova tecnologia nei sistemi presenti in quel momento, principalmente PAL e NTSC.

Di conseguenza, tutti gli sforzi dovevano essere diretti a rendere possibile la compatibilità tra PAL e NTSC. Il nuovo standard HDTV doveva essere compatibile sia con PAL che con NTSC, tra le sue caratteristiche principali.

Le variazioni che questo standard ha subito negli anni sono state molte, fino a quando non è stato finalmente fissato a 1125 linee verticali, di cui 1080 dedicate esclusivamente all'immagine. A quel tempo, la velocità massima per 1080 era 29, 97 fps (NTSC), mentre per 720 era 59, 94 fps (NTSC).

Questi sono alcuni dei valori di campionamento cromatico più ampiamente utilizzati nei diversi formati video digitali popolari:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0 Video Internet: 4: 2: 0 Qualità trasmissione HDTV: 4: 2: 2 Non compresso (informazioni complete): 4: 4: 4: 4

Un sottocampionamento 3: 1: 1 è migliore di 4: 2: 2?

Nel vecchio formato HDCAM 1080p, è stato utilizzato 3: 1: 1, mentre la risoluzione 720p aveva e ha ancora un sottocampionamento 4: 2: 2. Ma quale di questi era il migliore?

Se ci affidiamo solo ai dati, è una risposta semplice: 4: 2: 2 è due volte 3: 1: 1 in termini di campionamento del colore, quindi possiamo affermare chiaramente che il migliore in questo caso è 4: 2: 2.

Tuttavia, questa non può essere una risposta assoluta, poiché la dimensione dell'immagine non è considerata nelle notazioni 4 × 4 del campionamento del colore.

Quindi quale di queste notazioni è migliore? Un'immagine che contiene molte informazioni sul colore o un'altra con meno informazioni ma con un colore campione migliore? Non c'è una risposta chiara.

L'intenzione di questa analisi era per noi di vedere che un'immagine ha molte più informazioni e complessità come sfondo di ciò che viene visto superficialmente.

Naturalmente, tenendo sempre presente che usiamo un campione di un'immagine in 4: 4: 4, poiché questa è una notazione completa in cui si ottiene la migliore frequenza di campionamento.

Sottocampionamento 4: 4: 4 vs 4: 2: 2 vs 4: 2: 0

Il numero 4, che è il primo numero da sinistra, indica la dimensione del campione.

Per quanto riguarda i due numeri che lo precedono, sono correlati alle informazioni di crominanza. Questi dipendono dal primo numero (4) e sono responsabili della definizione del campionamento orizzontale e verticale, rispettivamente.

Un'immagine con un componente di colore 4: 4: 4: 4 non è affatto compressa, il che significa che non è stata sottocampionata e quindi contiene completamente i dati di luminanza e colore.

Analizzando una matrice di quattro per due pixel, vediamo che 4: 2: 2 contiene metà del chroma che troviamo in un segnale 4: 4: 4, mentre analizzando una matrice 4: 2: 0 vediamo che contiene ancora meno: solo una sala informazioni a colori.

La frequenza di campionamento orizzontale su un segnale 4: 2: 2 sarà solo la metà (2), mentre il campionamento verticale sarà pieno (4). Al contrario, in un segnale 4: 2: 0, c'è solo il campionamento del colore in metà dei pixel nella prima riga, ignorando completamente i pixel nella seconda riga del segnale.

Calcolo della dimensione dei dati del sottocampionamento

C'è un calcolo abbastanza semplice con il quale possiamo sapere esattamente quante informazioni vengono perse dopo avere un colore sottocampionato. Il calcolo è il seguente:

Come abbiamo già indicato, la massima qualità per un campione è 4 + 4 + 4 = 12

Ciò significa che un'immagine a colori è 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, dove troviamo una qualità al 100%, senza alcuna compressione. Da questo punto in poi, la qualità di un campione può variare come segue:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, che è il 66, 7% di 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, che è il 50% di 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, che è il 50% di 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, che è il 42% di 4: 4: 4 (12)

Pertanto, se un segnale a colori 4: 4: 4 ha una dimensione di 24 MB, significa che un segnale 4: 2: 2 avrà una dimensione di circa 16 MB, mentre un segnale 4: 2: 0 Avrà dimensioni di 12 MB e un segnale 3: 1: 1 sarà di 10 MB.

Con ciò possiamo già capire perché il sottocampionamento cromatico sia così importante e continui ad esistere. Per settori come Internet e la televisione è essenziale perché riduce le dimensioni dei file e quindi richiede meno risorse di larghezza di banda.

Conclusione sul sottocampionamento

Con il sottocampionamento cromatico possiamo comprimere un file di immagine per ridurne le dimensioni in questo modo. Con questo, si ottiene che per trasmetterla è necessaria meno larghezza di banda, senza perdere la qualità dell'immagine ad occhio nudo. Ciò significa che dopo il sottocampionamento o il sottocampionamento del colore, non si notano visivamente grandi imperfezioni.

Attualmente, l'esempio 4: 2: 0 è essenziale per le piattaforme di contenuti audiovisivi, quindi senza questa tecnica di compressione sarebbe sicuramente stato molto più difficile e costoso accedere a servizi come contenuti 4K da Amazon e Netflix.

Fonte di Wikipedia