Цветовая субдискретизация (Color Sampling), форматы Y’CbCr, YUV
В статье использован материал за авторством Graeme Nattress.
Компонентное цифровое видео часто обозначают аббревиатурой «YUV», что не совсем верно, так как YUV относится к аналоговому сигналу. Правильное название компонентов цифрового видео – Y’ Cb Cr.
Y’ представляет сигнал яркостности (знак апострофа означает, что интенсивность света кодируется нелинейно с помощью гамма-коррекции). Cb и Cr – компоненты цветовой составляющей («цветоразностность»), которые часто ошибочно обозначают буквами U и V. Яркостная компонента сигнала Y’ позволяет отобразить полноценное черно-белое изображение, цветоразностные компоненты Cb и Cr содержат информацию, необходимую для восстановления исходного цвета на базе яркости.
Светочувствительные элементы камеры воспринимают свет с помощью красных, зеленых и синих фильтров. Внутри наших телевизоров и проекторов также используют красный, синий и зелёный компоненты. Почему же в таком случае цифровое видео хранится и преобразуется в виде раздельных компонентов цветности и яркости?
Это связано с тем, что человек различает освещенность лучше, чем цвета, что и породило идею передавать информацию по яркости в полном, максимальном разрешении, а цветовую составляющую – в уменьшенном разрешении. Зритель не заметит подвоха, а трафик экономится. Другими словами, Y’CbCr – своего рода формат компрессии данных. Другая причина принятия данного стандарта: когда-то он обеспечивал совместимость цветных и черно-белых телевизоров (ч/б телевизору достаточно сигнала яркости).
Существует несколько методов цветовой субдискретизации, у каждой свое цифровое наименование, описывающее разрешение цветности (второй и третий номера) по отношению к разрешению яркости (первый номер).
Формат 4:4:4 (YUV)
Разрешение яркости по горизонтали представлено числом 4 и, так как компоненты Cb и Cr тоже представлены четверкой: снижения разрешения по цветности не происходит. Цветовая субдискретизация 4:4:4 чаще используется в изображениях RGB, но может использоваться в Y’CbCr, хотя ни одна камера не производит запись в этом формате.
Формат 4:2:2 (YUY2)
В данном случае на 4 единицы яркости приходится только две единицы цветности. Горизонтальное разрешение цветовых компонентов компонента уменьшено в два раза. Это и есть традиционный стандарт вещания, используемый DigiBeta, DVCpro50 и т.д.
Полное разрешение по яркости и в 4 раза меньшее разрешение цветовых компонентов. Эта система используется в NTSC DV и PAL DVCPro.
Формат 4:2:0 (YV12)
Полное разрешение компонента яркости и половинчатое разрешение компонента цветности как по горизонтали, так и по вертикали. 4:2:0 – очень сложный метод со множеством вариантов, зависящих от того, используется ли чересстрочная или покадровая развертка, PAL DV или MPEG2. Изображение выше иллюстрирует дискретизацию цветности PAL DV 4:2:0.