Субдискретизация цветности – это метод кодирования изображения или видео с меньшим количеством данных цветности, чем данных яркости. Фактически это означает, что уровни черного и белого в изображении сохраняются, но при этом уменьшается количество цветов, которые воспроизводятся на изображении. При этом сохраняется большая часть качества изображения или видео, но уменьшается общий размер файла, что упрощает его передачу.
Недостатком является то, что это влияет на качество изображения, особенно при использовании более экстремальных форматов субдискретизации цветности.
Что делает подвыборку цветности особенно умной, так это то, что она использует более слабую способность зрительной системы человека интерпретировать цветовые различия, чем различия в яркости, для подавления изображения таким образом, чтобы человеческий глаз практически не замечал разницы. Тем не менее, некоторые форматы цветовой субдискретизации удаляют достаточно много информации о цвете, поэтому эффект очевиден даже для тех, кто не знает, что искать.
Хотя об этом чаще говорят в контексте сжатия видео, субдискретизация цветности, возможно, чаще всего используется в изображениях JPEG. Они используют субдискретизацию цветности для преобразования данных красного, зеленого и синего цветов в данные яркости, цветности синего и красного цвета, уменьшая общий размер файла изображения, сохраняя при этом большую часть чёткости исходного изображения. Это было бы невозможно без субдискретизации цветности, а Интернет, каким мы его знаем, был бы совсем другим без изображений JPEG.
Что такое субдискретизация цветности
Цветовая субдискретизация, подвыборка цветности или субдискретизация цветности – это метод, используемый для уменьшения объема данных на фотографии или видео. Там, где такая технология, как сжатие потока отображения, использует алгоритмы сжатия для выполнения аналогичной функции, субдискретизация цветности, в первую очередь, сокращает объём информации в изображении или видеопотоке.
Однако, как и в DSC, субдискретизация цветности предназначена для сохранения как можно большей части исходного качества изображения или видео; по крайней мере, с точки зрения зрителя. Так как человеческий глаз очень чётко различает различия в яркости – то есть контрастность – но не так четко фиксирует различия в цвете, субдискретизация цветности ограничивает цветовое разрешение таким образом, чтобы оно было максимально незаметным.
Это сокращение информации о цвете означает, что вместо этого может быть передано большее количество информации о яркости, что позволяет отображать более высокие разрешения или частоты обновления, чем это было бы возможно в противном случае. Это позволяет кабелям HDMI и DisplayPort старых поколений передавать видео с разрешением и частотой обновления, которые в противном случае могли бы выйти за рамки их спецификаций. Его также можно использовать для уменьшения общей пропускной способности изображений и видео, передаваемых через Интернет, например, при создании изображений JPEG.
Существуют различные типы субдискретизации цветности, обычно называемые форматами субдискретизации цветности. Они включают в себя различные уровни субдискретизации цветности: от стандартного до умеренного и до более экстремальных примеров с очень ограниченной информацией о цвете.
Форматы субдискретизации цветности
Существует четыре типичных формата субдискретизации цветности, обозначаемых строкой из трёх чисел в форме соотношения, например, 4:4:4 или 4:2:2. Эти числа соответствуют количеству информации конкретного компонента изображения.
Первое число обозначает количество пикселей с горизонтальной выборкой, поэтому в обоих предыдущих примерах их будет четыре. Второе число обозначает количество образцов цветности (или цвета) в первой строке, включая красные и синие хроматические данные. Третий обозначает количество взятых вертикальных выборок.
В нашем предыдущем примере 4:4:4 имеет четыре образца по горизонтали и вертикали, причем четыре образца цветности находятся в пределах этого определенного диапазона. Это сигнал без какого-либо уменьшения цвета и фактически несжатый. Однако, в примере 4:2:2 имеется только две выборки цветности из четырёх горизонтальных и двух вертикальных выборок, что уменьшает объём цветовых данных в изображении или видео, что, в свою очередь, уменьшает размер файла.
Наиболее часто используемые форматы цветовой субдискретизации:
- 4:4:4 – это стандартный видеосигнал или сигнал изображения без какого-либо уменьшения цвета. Он содержит все горизонтальные и вертикальные цветовые разрешения без каких-либо потерь. Хотя этот сигнал всё ещё может использовать сжатие в форме DSC, он не использует субдискретизацию цветности для ограничения цветовых данных. Обычно его используют при постпродакшене фильмов.
- 4:2:2 сокращает объём цветовых данных изображений и видео вдвое, что приводит к уменьшению общего объема данных в потоке на треть. Однако, благодаря тому, как человеческий глаз обрабатывает данные о яркости и цвете, это снижение цветового разрешения будет практически незаметным для большинства зрителей. Это можно использовать в сочетании с DSC, чтобы кабели, такие как HDMI 2.1, обеспечивали более высокое разрешение или частоту обновления, чем они были бы способны в противном случае. Она также используется в высококачественных форматах цифрового видео, таких как Digital BetaCam и Digital-S.
- 4:2:0 имеет тот же объём цветовых данных, что и 4:2:2, но производит выборку только через каждую вторую вертикальную линию, что резко снижает разрешение цвета по вертикали. Несмотря на такое серьёзное сокращение общего объёма данных, конечный результат по-прежнему трудно отличить от изображения или видео формата 4:4:4, поэтому субдискретизация цветности 4:2:0 используется очень широко. Она часто используется в дисках DVD-Video и Blu-ray, но чаще используется при создании изображений JPEG.
Существуют и другие форматы субдискретизации цветности, такие как 4:1:1 и 4:4:0, но они гораздо менее распространены, поскольку их влияние на качество изображения гораздо более очевидно и находится ниже уровня, который считается приемлемым для качества вещания. Хотя при общем просмотре по-прежнему трудно заметить большую разницу, в конкретных сценариях, особенно с текстом на экране или высококонтрастными цветами, она очень заметна.
Несмотря на то, что исходное видео или изображение 4:4:4 без какой-либо субдискретизации цветности, несомненно, является изображением более высокого качества, визуальная разница между различными форматами субдискретизации цветности на самом деле довольно мала, как показано на сравнительном изображении выше.
Хотя более экстремальная субдискретизация цветности с уменьшенной информацией о цветности действительно приводит к гораздо более низкому разрешению цвета в изображении, человеческий глаз просто не может различить этого так же, как при понижении общего разрешения.
В конечном итоге, это означает, что субдискретизация цветности — это эффективный способ уменьшить требуемую полосу пропускания для передачи видео или изображений онлайн или по определенному кабелю, не оказывая при этом явного негативного влияния на качество изображения.
Подвыборка цветности при сжатии видео
Сжатие является важным компонентом всех видов цифровых носителей, но оно особенно важно для видео, поскольку оно может быть очень требовательным к средствам передачи, будь то по сети или по простому кабелю передачи видео, например, HDMI или DisplayPort.
Сжатие – это процесс уменьшения общего размера передаваемого медиафайла, и существуют различные способы его достижения.
Субдискретизация цветности – это форма сжатия, при которой берётся собственный видеопоток или изображение и удаляется из него информация о цвете перед отправкой этого более компактного сигнала на дисплей или другое устройство. Однако, это считается формой сжатия с «визуальными потерями», поскольку в результирующем сигнале отсутствуют некоторые визуальные детали исходного изображения или видео.
Это отличается, например, от такого метода, как DSC, которое, несмотря на математические потери, считается «визуально без потерь», поскольку зрители не могут отличить сжатое и исходное изображение. Хотя существуют форматы субдискретизации цветности, при которых трудно отличить их от исходных несжатых носителей, более экстремальная субдискретизация цветности гораздо более очевидна, что её стандартом с потерями.
Однако, поскольку системы сжатия работают по-разному, их можно использовать вместе. Действительно, HDMI 2.1 специально упоминается как способный передавать видео с разрешением 10K или выше при использовании DSC и субдискретизации цветности 4:2:0. Без какой-либо формы сжатия HDMI 2.1 способен передавать видео с разрешением «только» 8K и частотой до 30 Гц.
Заключение
Субдискретизация цветности – важный компонент достижения сверхвысокого разрешения и частоты обновления на телевизорах и мониторах. Это также важная часть обеспечения функциональности Интернета с постоянно растущими требованиями к местным соединениям и международной инфраструктуре, поскольку всё больше и больше людей потребляют контент с более высоким разрешением.
Новые сетевые технологии обеспечивают всё более быстрое подключение к Интернету, а новые поколения кабелей локальной передачи видео, такие как HDMI 2.1 и DisplayPort 2.0, обеспечивают ещё более детализированный контент, включая HDR и 10-битный цвет. Тем не менее, всегда будет место для субдискретизации цветности. Она не только позволяет этим и без того невероятным соединениям делать ещё больше, но и помогает снизить общую нагрузку на сети. Когда при этом визуально теряется очень мало, снижение общей пропускной способности становится реальным преимуществом.
Часто задаваемые вопросы
Вы здесь только для того, чтобы получить быстрые ответы о субдискретизации цветности и о том, что делает её полезной для сжатия видео и изображений? Вот некоторые из наиболее распространенных вопросов о субдискретизации цветности.
Что такое субдискретизация цветности?
Подвыборка цветности – это метод сжатия, используемый для уменьшения количества цветности или цветовых деталей в изображении, сохраняя при этом информацию, связанную с освещением и контрастностью. В результате получается изображение, которое для человеческого глаза практически неотличимо от исходного изображения или видео.
Подвыборка цветности обычно используется при сжатии видео, чтобы обеспечить более высокое разрешение и частоту обновления, но она также используется для уменьшения размера файла цифровых изображений, таких как JPEG.
Каковы различные типы форматов субдискретизации цветности?
Форматы субдискретизации цветности отображаются как трио из трёх чисел в соотношении. Они относятся к размеру горизонтальной выборки, количеству взятых образцов цвета и количеству вертикальных выборок. Это может привести к появлению форматов подвыборки цветности, таких как 4:2:2 или 4:1:0, в зависимости от уровня сжатия.
Формат подвыборки цветности 4:4:4 фактически представляет собой несжатое видео, тогда как подвыборка цветности 4:2:2 сокращает информацию о цвете вдвое, значительно уменьшая общий размер файла видео.
Как субдискретизация цветности влияет на качество изображения и видео?
Подвыборка цветности – это метод визуального сжатия с потерями, при котором конечный результат действительно имеет пониженное общее визуальное качество, даже если оно редко бывает драматичным или очевидным.
Причина, по которой субдискретизация цветности настолько эффективна, заключается в том, что человеческий глаз может различать гораздо большие в яркости и контрастности, чем в цвете. Уменьшение цветового разрешения изображения довольно сложно обнаружить по сравнению с понижением общего разрешения или данных яркости в образце.
В некоторых наиболее крайних примерах субдискретизация цветности может быть более очевидна, но в коммерческих носителях, таких как DVD и Blu-ray, в течение многих лет использовались более тонкие формы, при этом большинство зрителей совершенно не подозревали об этом.
Как выбрать правильный формат субдискретизации цветности?
В общем, вам вряд ли понадобится использовать субдискретизацию цветности при повседневном просмотре. Однако, если вы обнаружите, что ваш кабель не может обеспечить необходимое вам разрешение или вы хотите снизить общую нагрузку на вашу сеть, вы можете использовать субдискретизацию цветности, чтобы исправить это.
Выбор подходящего формата субдискретизации цветности для ваших конкретных нужд зависит от степени сжатия, которой вы хотите достичь. Если вам нужно лишь немного уменьшить размер файла изображения или видео, вы можете использовать 4:2:2, так как это происходит почти полностью без визуальных потерь, но сокращает размер файла на треть. Для более интенсивного сжатия вы можете выбрать 4:2:0, хотя это приведёт к некоторому ухудшению изображения в высококонтрастных сценах.
Как минимизировать артефакты при использовании субдискретизации цветности?
Лучший способ минимизировать артефакты при субдискретизации цветности – использовать менее экстремальные форматы субдискретизации. Даже в этом случае в определенных потоках с чередующимися цветами, тонкими чёрными линиями или высококонтрастными цветными сценами артефакты могут преобладать независимо от того, какие форматы вы используете.
Имея это в виду, вы можете избежать артефактов субдискретизации цветности, применяя субдискретизацию цветности только к соответствующему видео или изображениям, которые с меньшей вероятностью будут подвержены негативному воздействию.
Артефакты движения при субдискретизации цветности также более распространены в чересстрочном контенте, особенно если используется прогрессивная дискретизация. Использование чересстрочной выборки или чисто прогрессивной выборки для субдискретизации цветности может решить эту проблему.
