อะไรคือ 4: 4: 4, 4: 2: 2 และ 4: 2: 0 หรือสีที่เป็นตัวอย่าง

เป็นไปได้ว่าในบางครั้งคุณเคยได้ยินเกี่ยวกับ ความส่องสว่างของ คำศัพท์ และ chrominance ถึงแม้ว่าคุณจะไม่เข้าใจว่าแนวคิดเหล่านี้มีความหมายอย่างไรหรือหน้าที่เฉพาะของพวกเขาคืออะไร ทั้งสองคำนี้ยังใช้เมื่อต้องการการสุ่มสีหรือการสุ่มสีอีกด้วย

เมื่อมีการอ่านชุดตัวเลข 4: 4: 4, 4: 2: 2 และ 4: 2: 0 นั่นหมายถึงว่าผ่านวิดีโอเหล่านี้จะมีการแสดงสูตรวิดีโอที่เกี่ยวข้องกับการ ย่อย Chroma (หรือที่เรียกว่าการย่อย Chrominance). การผสมจำนวนเหล่านี้สามารถพบได้ในภาพถ่ายและวิดีโอนั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงจำเป็นต้องรู้ว่าสิ่งเหล่านี้มีไว้เพื่ออะไร

ก่อนที่จะวิเคราะห์สัญลักษณ์เหล่านี้จะต้องได้รับการพิจารณาว่าทั้งเนื้อหาในรูปถ่ายและในวิดีโอทำให้การเผยแพร่ช้าลงซึ่งเกี่ยวข้องกับข้อ จำกัด ของบรอดแบนด์

ในสถานการณ์นี้และเพื่อให้เกิดการบีบอัดและความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลโสตทัศนูปกรณ์มากขึ้นจึงมีการใช้การสุ่มสัญญาณ Chrominance ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในรูปแบบเนื้อหาต่าง ๆ เช่นดิสก์ Blu-ray และบริการสตรีมมิ่ง

ดัชนีเนื้อหา

Chromam Subsampling หรือ Subsampling คืออะไร?

Chromam subsampling (color subsampling) เป็นเทคนิคที่ข้อมูลสีที่อยู่ในสัญญาณถูกบีบอัดเพื่อสนับสนุนข้อมูลที่อยู่ในความส่องสว่าง ด้วยวิธีนี้แบนด์วิดท์จะลดลง แต่ไม่มีผลต่อคุณภาพของภาพที่บีบอัดนี้

หลายปีที่ผ่านมาด้วยการแนะนำวิดีโอดิจิทัลวิดีโอมีน้ำหนักมากทำให้ยากที่จะส่งและจัดเก็บ พยายามหาวิธีแก้ปัญหาเกี่ยวกับขนาดเหล่านี้การย่อยตัวอย่าง chrominance ก็มาถึง

หากเราตรวจสอบองค์ประกอบของวิดีโอดิจิทัลทั้งหมดเราจะพบองค์ประกอบหลักสองอย่างที่เราเรียกว่าความส่องสว่างและความเข้มแสง

คำแรกซึ่งเรารู้ถึงความสว่างหรือความเปรียบต่างนั้นครอบคลุมความแตกต่างทั้งหมดที่เราเห็นระหว่างส่วนที่มืดที่สุดและเบาที่สุดในวิดีโอ

สำหรับส่วนของมัน chrominance เป็นส่วนประกอบของความอิ่มตัวของสีของวิดีโอ เนื่องจากการมองเห็นของมนุษย์มีความไวต่อความเปรียบต่าง (ความสว่าง) มากกว่าความอิ่มตัวของสี (chrominance) จึงมีการตัดสินใจว่ามีส่วนหนึ่งของวิดีโอที่สามารถบีบอัดได้โดยไม่กระทบกับคุณภาพของมัน

ดังนั้นเพื่อให้การจัดการวิดีโอดิจิทัลง่ายขึ้นจึงมีการนำเทคนิคการบีบอัดมาใช้ ซึ่งหมายความว่าสัญญาณวิดีโอสีจริง (4: 4: 4) ซึ่งเราค้นหาข้อมูลทั้งหมดของสีแดงสีเขียวและสีน้ำเงินในแต่ละพิกเซลสิ่งนี้จะถูกบีบอัดหากมีการใช้การสุ่มสีแบบย่อยทำให้มัน การถ่ายโอนมีน้ำหนักเบาและต้องใช้แบนด์วิดท์น้อยลงเมื่อสีถูกลบไปแล้ว

เมื่อภาพถูกบีบอัดคุณภาพของสีดำและสีขาวจะไม่น้อยกว่าคุณภาพของสีเนื่องจากตามที่ระบุไว้วิสัยทัศน์ของมนุษย์มีความสามารถในการดูดซึมโครมิเนตต่ำกว่า ด้วยวิธีนี้หลังจากการสุ่มตัวอย่างวิดีโอจะมีความสว่างมากกว่าข้อมูล Chrominance

ด้วยวิธีนี้มันเป็นไปได้ที่จะรักษาคุณภาพของภาพในขณะที่ลดขนาดลงอย่างมากถึง 50% ในบางรูปแบบเช่น YUV จำนวนความส่องสว่างถึงเพียงหนึ่งในสามของจำนวนทั้งหมดดังนั้นจึงมีระยะขอบที่กว้างเพื่อลดความเข้มของสีและทำให้ได้การบีบอัดที่มากขึ้น

โดยคำนึงถึงว่ามีข้อ จำกัด บางอย่างเกี่ยวกับความเร็วที่ประกอบขึ้นเป็นแถบกว้างของอินเทอร์เน็ตและ HDMI ตัวอย่างเช่นการบีบอัดนี้ทำให้เกิดการส่งสัญญาณวิดีโอดิจิทัลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ทั้งจอภาพ CRT, LCD และการชาร์จอุปกรณ์คู่ (CCD) ใช้ส่วนประกอบในการจับภาพสีแดงสีเขียวและสีน้ำเงิน อย่างไรก็ตามในวิดีโอดิจิตอลความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่าง luma และ chroma เพียงเพื่อให้สามารถทำการบีบอัดและทำให้เบาขึ้นสำหรับการส่งสัญญาณ

มีวิธีการย่อยตัวอย่าง Chroma หลายวิธีที่ใช้สัญกรณ์ที่แตกต่างกันซึ่งเราจะอธิบายสั้น ๆ ว่าหมายเลขแรกคือ luma และตัวเลขที่สองและสามใช้สำหรับ chroma

วิธีการ subsampling สี / subsampling

4: 4: 4

นี่เป็นความละเอียดเต็มรูปแบบและเป็นต้นฉบับซึ่งไม่มีการบีบอัดใด ๆ โดยมีหมายเลขแรกระบุความสว่าง (4) และตัวเลขสองตัวต่อไปนี้ (4: 4) ที่ใช้สำหรับองค์ประกอบ Cb และ Cr chroma สัญกรณ์นี้ 4: 4: 4 มักใช้สำหรับภาพ RGB แม้ว่าจะใช้สำหรับพื้นที่สี YCbCr

4: 2: 2

ในฉบับแรกเราจะเห็นความคมชัดเต็มรูปแบบของ luma ในขณะที่เราเห็นความละเอียดครึ่งหนึ่งสำหรับ chrominance สัญลักษณนี้เปนมาตรฐานในภาพและมีการบีบอัดที่ไมมีผลตอคุณภาพของภาพ มันใช้สำหรับรูปแบบวิดีโอ DVCpro50 และ Betacam Digital และอื่น ๆ

4: 1: 1

อีกครั้งเรามี luma ความละเอียดเต็มรูปแบบในขณะที่เรามี chrominance ที่น้อยลง - เพียงหนึ่งในสี่ นี่เป็นรูปแบบการสุ่มตัวอย่างที่ใช้โดยรูปแบบ NTSC DV และ PAL DVCPro

4: 2: 0

สัญกรณ์นี้บ่งชี้ว่าความละเอียดของลูม่านั้นเสร็จสมบูรณ์ (4) ในขณะที่มันมีความละเอียดครึ่งเดียวในทิศทางแนวตั้งและแนวนอนสำหรับส่วนประกอบ Chroma อันที่จริง 4: 2: 0 เป็นการสุ่มตัวอย่างสีที่ค่อนข้างยากซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงมากมายเมื่อพิจารณาว่าวิดีโอเป็นแบบอินเตอร์เลซหรือโปรเกรสซีฟหรือใช้ MPEG2 หรือ PAL DV

ด้วยการสุ่มตัวอย่าง 4: 2: 0 นี้คุณจะได้รับความละเอียดของสี 1/4 เช่นเดียวกับการสุ่มตัวอย่าง 4: 1: 1 อย่างไรก็ตามในกรณีแรกสีถูกบีบอัดในแนวนอนและแนวตั้งในขณะที่สัญกรณ์ที่สองการบีบอัดเป็นแนวนอน

การสุ่มสีแบบ 1920 x 1080

Analog HDTV นั้นตามมาด้วย digital HDTV ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีคุณภาพและความละเอียดสูงกว่า อย่างไรก็ตามมันก็เป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่สำหรับวิศวกรเนื่องจากพวกเขาต้องสร้างแบบฟอร์มที่ทำให้มันเป็นไปได้สำหรับเทคโนโลยีใหม่นี้ที่จะใช้ในระบบที่มีอยู่ในเวลานั้นส่วนใหญ่ PAL และ NTSC

ดังนั้นความพยายามทั้งหมดจะต้องถูกนำไปสู่การเข้ากันได้ระหว่าง PAL และ NTSC ได้ มาตรฐาน HDTV ใหม่ต้องรองรับทั้ง PAL และ NTSC ท่ามกลางคุณสมบัติหลัก

ความหลากหลายที่มาตรฐานนี้ประสบในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีมากมายจนกระทั่งในที่สุดมันก็ถูกตั้งค่าไว้ที่ 1125 เส้นแนวตั้งโดยมี 1080 ของสิ่งเหล่านี้เฉพาะสำหรับภาพเท่านั้น ในเวลานั้นอัตราสูงสุดสำหรับ 1080 คือ 29.97 fps (NTSC) ในขณะที่ 720 เป็น 59.94 fps (NTSC)

เหล่านี้คือบางส่วนของค่าการสุ่มสีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในรูปแบบวิดีโอดิจิตอลยอดนิยมที่แตกต่างกัน:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0Internet Video: 4: 2: 0HDTV คุณภาพการส่งผ่าน: 4: 2: 2 ไม่มีการบีบอัด (ข้อมูลทั้งหมด): 4: 4: 4: 4

การสุ่มตัวอย่างแบบ 3: 1: 1 ดีกว่า 4: 2: 2 หรือไม่

ในรูปแบบ 1080p HDCAM แบบเก่านั้นใช้แบบ 3: 1: 1 ในขณะที่ความละเอียด 720p มีและยังคงมีการยู่ย่อยแบบ 4: 2: 2 แต่อันไหนดีที่สุด?

หากเราใช้ข้อมูลเป็นหลักมันเป็นคำตอบง่าย ๆ: 4: 2: 2 เป็นสองเท่า 3: 1: 1 ในแง่ของการสุ่มตัวอย่างสีดังนั้นเราสามารถระบุได้ชัดเจนว่าสิ่งที่ดีที่สุดในกรณีนี้คือ 4: 2: 2

อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่คำตอบที่แน่นอนเนื่องจากขนาดของรูปภาพไม่ได้ถูกพิจารณาในสัญลักษณ์ 4 × 4 ของการสุ่มตัวอย่างสี

ดังนั้นสัญลักษณ์ใดบ้างที่ดีกว่า ภาพที่มีข้อมูลสีจำนวนมากหรือภาพอื่นที่มีข้อมูลน้อย แต่มีสีตัวอย่างที่ดีกว่า ไม่มีคำตอบที่ชัดเจน

จุดประสงค์ของการวิเคราะห์นี้คือเพื่อให้เราเห็นว่ารูปภาพมีข้อมูลและความซับซ้อนเป็นพื้นหลังมากกว่าสิ่งที่เห็นผิวเผิน

แน่นอนว่าให้จำไว้เสมอว่าเราใช้ภาพตัวอย่างที่ 4: 4: 4 เนื่องจากนี่เป็นสัญลักษณ์ที่สมบูรณ์ซึ่งได้รับความถี่การสุ่มตัวอย่างที่ดีที่สุด

Subsampling 4: 4: 4 กับ 4: 2: 2 และ 4: 2: 0

หมายเลข 4 ซึ่งเป็นหมายเลขแรกจากด้านซ้ายระบุขนาดของตัวอย่าง

สำหรับตัวเลขสองตัวที่นำหน้านี้พวกมันเกี่ยวข้องกับข้อมูลสี ขึ้นอยู่กับตัวเลขแรก (4) และมีหน้าที่กำหนดการสุ่มตัวอย่างแนวนอนและแนวตั้งตามลำดับ

รูปภาพที่มีองค์ประกอบสี 4: 4: 4: 4 ไม่ได้รับการบีบอัดเลยซึ่งหมายความว่าไม่ได้สุ่มตัวอย่างแล้วจึงมีข้อมูลความสว่างและสีทั้งหมด

การวิเคราะห์เมทริกซ์สี่คูณสองเราจะเห็นว่า 4: 2: 2 มีโครมาครึ่งหนึ่งที่เราพบในสัญญาณ 4: 4: 4 ในขณะที่วิเคราะห์เมทริกซ์ 4: 2: 0 เราเห็นว่ามันมีน้อย: เท่านั้น ห้องข้อมูลสี

อัตราการสุ่มตัวอย่างแนวนอนของสัญญาณ 4: 2: 2 จะมีเพียงครึ่งเดียว (2) ในขณะที่การสุ่มตัวอย่างแนวตั้งจะเต็ม (4) ในทางตรงกันข้ามในสัญญาณ 4: 2: 0 มีการสุ่มสีเพียงครึ่งเดียวของพิกเซลในแถวแรกโดยไม่สนใจพิกเซลในแถวที่สองของสัญญาณอย่างสมบูรณ์

การคำนวณขนาดของข้อมูลตัวอย่างย่อย

มีการคำนวณที่ค่อนข้างง่ายซึ่งเราสามารถทราบได้อย่างชัดเจนว่าข้อมูลหายไปมากน้อยเพียงใดหลังจากที่มีสีตัวอย่างย่อย การคำนวณมีดังนี้:

ดังที่เราได้ระบุไว้แล้วคุณภาพสูงสุดสำหรับตัวอย่างคือ 4 + 4 + 4 = 12

ซึ่งหมายความว่าภาพที่มีสีเต็มรูปแบบคือ 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12 ซึ่งเราพบคุณภาพ 100% โดยไม่มีการบีบอัดใด ๆ จากจุดนี้เป็นต้นไปคุณภาพของตัวอย่างอาจแตกต่างกันดังนี้:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8 ซึ่งเป็น 66.7% ของ 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6 ซึ่งเป็น 50% ของ 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6 ซึ่งเป็น 50% ของ 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, ซึ่งเป็น 42% ของ 4: 4: 4 (12)

ดังนั้นหากสัญญาณสี 4: 4: 4 มีขนาด 24 MB หมายความว่าสัญญาณ 4: 2: 2 จะมีขนาดประมาณ 16 MB ในขณะที่สัญญาณ 4: 2: 0 จะมีขนาด 12 MB และสัญญาณ 3: 1: 1 จะเท่ากับ 10 MB

ด้วยสิ่งนี้เราสามารถเข้าใจได้แล้วว่าทำไมการย่อยตัวอย่างด้วยสีจึงมีความสำคัญและยังคงมีอยู่ สำหรับภาคต่างๆเช่นอินเทอร์เน็ตและโทรทัศน์เป็นสิ่งจำเป็นเพราะช่วยลดขนาดของไฟล์และดังนั้นจึงต้องใช้ทรัพยากรแบนด์วิดธ์น้อยลง

สรุปเกี่ยวกับการสุ่มตัวอย่าง

ด้วยการย่อยตัวอย่างสีเราสามารถบีบอัดไฟล์รูปภาพเพื่อลดขนาดไฟล์ด้วยวิธีนี้ ด้วยวิธีนี้มันจะประสบความสำเร็จที่ต้องใช้แบนด์วิดท์น้อยลงในการส่งโดยไม่สูญเสียคุณภาพของภาพด้วยตาเปล่า ซึ่งหมายความว่าหลังจากการเลือกสีย่อยหรือการย่อยตัวอย่างไม่มีข้อบกพร่องที่เห็นได้ชัด

ปัจจุบันตัวอย่าง 4: 2: 0 เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแพลตฟอร์มเนื้อหาภาพและเสียงดังนั้นหากไม่มีเทคนิคการบีบอัดข้อมูลนี้ย่อมเป็นเรื่องยากและมีค่าใช้จ่ายสูงในการเข้าถึงบริการเช่นเนื้อหา 4K จาก Amazon และ Netflix

แหล่ง Wikipedia