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Il sottocampionamento della crominanza è una tecnica che consiste nel codificare immagini riservando maggiore risoluzione al segnale di luminanza piuttosto che all'informazione di crominanza. È una tecnica utilizzata in molti modelli di compressione per segnali sia analogici che digitali, ed è usata anche dalla compressione JPEG e MPEG.

Aspetti tecnici

Un segnale video, soprattutto se a componenti, ha una larghezza di banda molto ampia, comportando tutta una serie di problemi per essere registrato o trasmesso. Di conseguenza, sono spesso usate tecniche di compressione per migliorare la gestione del segnale, aumentare la durata delle registrazione oppure aumentare il numero di canali di trasmissione. Dal momento che la visione umana è molto più sensibile alle variazioni di livello luminoso piuttosto che ai cambiamenti di colore, si può sfruttare questo principio per ottimizzare la compressione, dedicando più banda alla luminanza (Y) e meno alla differenza delle componenti cromatiche (Cb e Cr). Lo schema di sottocampionatura 4:2:2 Y'CbCr, per esempio, richiede solo due terzi della banda del (4:4:4) R'G'B'. Questa riduzione è pressoché impercettibile all'occhio umano.

Come funziona il sottocampionamento

Il sottocampionamento della crominanza differisce dalla teoria scientifica nel fatto che le componenti di luminanza e crominanza sono formate come somma pesata di componenti tristimolo R'G'B' dopo una correzione di gamma, invece che da componenti RGB tristimolo lineari. Come risultato, la luminanza e i dettagli di colore non sono del tutto indipendenti l'una dagli altri, ma avviene una sorta di "miscelazione" tra i due componenti. L'errore è maggiore nei colori molto saturi e si nota nel verde e nel magenta delle barre colore. Invertendo l'ordine delle operazione tra la correzione di gamma e la somma pesata dei segnali, il sottocampionamento può essere meglio applicata.

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Originale senza sottocampionatura. Ingrandimento 200%.

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Immagine dopo la sottocampionatura (compressa con codec DV di Sony Vegas.)

Sistemi di campionatura

Lo schema di sottocampionatura è normalmente indicato con una notazione a tre cifre (es. 4:2:2) o talvolta a quattro cifre (es. 4:2:2:4). Il significato dei numeri è il seguente:

  • Riferimento di campionatura orizzontale della Luminanza (in origine, come multiplo della sottoportante a 3.579 MHz in NTSC o di 4.43 MHz in PAL).
  • Fattore orizzontale Cr (relativo alla prima cifra).
  • Fattore orizzontale Cb (relativo alla prima cifra), a meno che non sia posto a zero. In questo caso, lo zero indica che il fattore orizzontale Cb è identico alla seconda cifra e, in aggiunta, sia il Cr che il Cb sono sottocampionati 2:1 in senso verticale. Lo zero è scelto affinché la formula di calcolo della larghezza di banda rimanga corretta.
  • Fattore orizzontale Alfa (relativo alla prima cifra). Può essere omesso se non è presente un canale alfa.

Per calcolare la larghezza di banda necessaria rispetto a un segnale 4:4:4 (o 4:4:4:4), si sommano tutti i fattori e si divide il risultato per 12 (o per 16 se c'è un canale alfa).

Immagine:Chroma subsampling ratios.svg

Gli esempi qui sopra sono esclusivamente teorici e a scopo dimostrativo. Si osservi anche che i diagrammi non indicano nessun filtraggio della crominanza, che dovrebbe essere applicato per evitare l'aliasing.

Tipi di sottocampionamento

4:2:2

I due campioni di crominanza sono campionati alla metà della risoluzione della luminanza, dimezzando la risoluzione cromatica. Questo riduce la banda del segnale video di un terzo senza quasi perdite percettibili.

Molti formato video di alta gamma usano questo schema: Digital Betacam e DVCPRO50 e DVCPRO HD, ad esempio.

4:2:1

Questo schema è definito tecnicamente, ma pochissimi codec lo usano. La risoluzione orizzontale Cb è la metà di quella Cr (e un quarto di quella Y). Questo schema sfrutta il principio che l'occhio umano è più sensibile al rosso che al blu.

4:1:1

Nella sottocampionatura 4:1:1, la risoluzione orizzontale cromatica è ridotta a un quarto. La larghezza di banda risulta dimezzata rispetto a uno schema non sottocampionato. In alcuni ambienti professionali, lo schema 4:1:1 del codec DV non era considerato di classe broadcast all'epoca della sua introduzione, e accettabile solo per applicazioni non professionali. Con il tempo, i formati basati su questo codec sono usati invece in ambienti professionali per l'acquisizione di immagini e l'uso nei server video, e, in maniera sporadica, il codec DV è stato usato anche nella cinematografia digitale a basso costo.

I formati che usano questo schema includono: DVCPRO (NTSC e PAL) e DV e DVCAM (NTSC).

4:2:0

Questo schema è utilizzato in:

  • Tutte le versioni di codec MPEG, incluse le implementazioni MPEG-2 come il DVD (alcuni profili di MPEG-4 possono usare schemi di qualità più elevata, come il 4:4:4)
  • DV e DVCAM (PAL)
  • HDV
  • Implementazioni comuni JPEG/JFIF, H.261, e MJPEG

I componenti Cb Cr sono sottocampionati di un fattore 2 sia verticalmente che orizzontalmente, e centrati a metà delle linee di scansione verticali.

Esistono tre varianti degli schemi 4:2:0, che differiscono per il posizionamento verticale e orizzontale.

  • In MPEG-2, Cb e Cr coincidono orizzontalmente.
  • In JPEG/JFIF, H.261, e MPEG-1, Cb e Cr sono posizionati a metà strada, tra i campioni di luminanza (Y) alternati.
  • In DV 4:2:0, Cb e Cr sono alternati riga per riga.

Gli schemi colore PAL e SECAM sono particolarmente adatti a questo tipo di compressione. La maggior parte dei formati video digitali corrispondenti al PAL usano il sottocampionamento di crominanza 4:2:0, con l'eccezione del DVCPRO25, che usa lo schema 4:1:1. La larghezza di banda necessaria è dimezzata rispetto al segnale pieno per entrambi gli schemi.

Con il materiale interlacciato, il sottocampionamento 4:2:0 può creare artefatti sulle immagini in movimento, se il sottocampionamento viene applicato nello stesso modo del materiale progressivo. I campioni di luminanza, infatti, provengono da semiquadri diversi mentre quelli di crominanza provengono da entrambi i semiquadri. La differenza fra i campioni genera gli artefatti. Lo standard MPEG-2 prevede l'uso di uno schema alternativo per evitare il problema, dove la schema 4:2:0 è applicato a ogni semiquadro ma non ad entrambi i semiquadri contemporaneamente.

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Originale. *Questa immagine mostra un singolo semiquadro. Il testo in movimento ha subito una sfuocatura.

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Campionamento 4:2:0 progressivo applicato a materiale in movimento interlacciato. Si noti che la crominanza precede e segue il testo. *Questa immagine mostra un singolo semiquadro.

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Campionamento 4:2:0 interlacciato applicato a materiale in movimento interlacciato. *Questa immagine mostra un singolo semiquadro.

Nello schema 4:2:0 interlacciato,ad ogni modo, la risoluzione verticale della crominanza è pressapoco dimezzata dal momento che i campioni comprendono un'area di 4x2 campioni invece di 2x2. Allo stesso modo, il dislocamento temporale tra i due semiquadri può portare ad artefatti sui colori.

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Immagine fissa originale.

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Campionamento 4:2:0 progressivo applicato a un'immagine fissa. Sono mostrati entrambi i campi.

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Campionamento 4:2:0 interlacciato applicato a un'immagine fissa. Sono mostrati entrambi i campi.

Se il materiale interlacciato deve essere deinterlacciato, gli artefatti sulla crominanza (derivati dal campionamento 4:2:0 interlacciato) possono essere rimossi sfumando la crominanza verticalmente.

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