Què és 4: 4: 4, 4: 2: 2 i 4: 2: 0 o color subsampling

És possible que en algun moment hagis escoltat sobre els termes luminància i crominància, encara que no hagis entès exactament quin significat tenien aquests conceptes ni quin eren les seves funcions específiques. Tots dos termes són usats, a més, quan es necessita fer un subsampling o mostreig secundari de color.

Quan es llegeixen els conjunts de dígits 4: 4: 4, 4: 2: 2 i 4: 2: 0 vol dir que a través d'aquestes notacions s'està expressant una fórmula de vídeo relacionada a l'submostreig de croma (també anomenat submostreig de la croma). Aquestes combinacions de nombres poden trobar-se en fotos i vídeos, és per això que es fa necessari saber per a què serveixen.

Abans d'analitzar aquestes notacions, cal considerar que tant els continguts en fotos com en vídeos provoquen que es faci més lenta la seva distribució, relacionades als límits que ofereix la banda ampla.

Davant d'aquest escenari, i per aconseguir una major compressió i velocitat de transferència en continguts audiovisuals, es recorre a l'submostreig de la croma (subsampling), molt usat en diversos formats de continguts, com discs Blu-ray i serveis de streaming.

Índex de continguts

Què és el submostreig de croma o subsampling?

El submostreig cromàtic (mostreig secundari de color o subsampling en anglès) és una tècnica amb la qual es comprimeix la informació de color que conté un senyal per afavorir a la informació continguda en la luminància. D'aquesta manera, l'ample de banda queda reduït, però sense perjudicar la qualitat d'aquesta imatge comprimida.

Fa uns quants anys, amb la introducció de el vídeo digital, els vídeos pesaven molt, el que provocava que fos difícil la tasca de transmissió i emmagatzematge dels mateixos. Tractant de buscar una solució per a aquests problemes de grandària, es va arribar a l'submostreig de la croma.

Si investiguem la composició de tot vídeo digital, trobarem dos principals components als que anomenem luminància i crominància.

El primer terme, que també coneixem brillantor o contrast, abasta totes les diferències que veiem entre les zones més fosques i més clares al vídeo.

Per la seva banda, la crominància és el component de la saturació de color de el vídeo. A causa de que la visió d'un ésser humà té més sensibilitat a l'contrast (luminància) que a la saturació del color (crominància), es va decidir que hi havia una part de el vídeo que podia ser comprimida sense que afectés la qualitat de la mateixa.

Per tant, perquè sigui més fàcil la gestió dels vídeos digitals, es va implementar la tècnica de compressió. Això vol dir que un senyal de vídeo en color veritable (4: 4: 4) en la qual trobem la totalitat d'informació de vermell, verd i blau en cada píxel, això quedarà comprimit si s'aplica el submostreig cromàtic, fent que sigui més lleugera la seva transferència i que requereixi menys ample de banda quan ja s'ha eliminat el color.

Un cop comprimida la imatge, la qualitat dels blancs i negres no serà menor que la qualitat dels colors, ja que com bé es va indicar, la visió de l'ésser humà té menys capacitat per assimilar la crominància. D'aquesta manera, després de l'subsampling, el vídeo tindrà més informació de luminància que de crominància.

Amb això és possible mantenir la qualitat de la imatge a el mateix temps que es fa una reducció significativa de la seva grandària fins a un 50%. En alguns formats com el YUV, la quantitat de luminància només arriba a un terç de l'total, de manera que hi ha un ampli marge per reduir la crominància i aconseguir així una major compressió.

Tenint en compte que hi ha certes limitacions en les velocitats que constitueixen les bandes amples d'internet i l'HDMI, per exemple, aquesta compressió aconsegueix que un vídeo digital pugui ser transmès amb major eficiència.

Tant els monitors CRT com els LCD i els CCD (dispositiu de càrrega acoblada) utilitzen components per capturar els colors vermell, verd i blau. No obstant això, en un vídeo digital es fa una diferenciació entre luma i croma justament per poder fer una compressió i que sigui més lleuger per a la transmissió.

Hi ha diversos mètodes de mostreig secundari de croma que utilitzen diferents notacions que passarem a explicar breument, remarcant que el primer nombre és per a la luma i el segon i tercer número per a la croma.

Mètodes de mostreig secundari de color / subsampling

4: 4: 4

Aquesta és la resolució completa i original, en la qual no hi ha cap tipus de compressió, amb el primer número indicant la luminància (4) i els següents dos nombres (4: 4) utilitzats per als components de croma Cb i Cr. Aquesta notació 4: 4: 4 és usada habitualment per a les imatges RGB, encara que també s'usa per a l'espai de color YCbCr.

4: 2: 2

En el primer número veiem una resolució completa de la luma, mentre que veiem una meitat de resolució per a la crominància. Aquesta notació és la estàndard en imatges i porta una compressió que no afecta la qualitat d'imatge. S'usa per a formats de vídeo DVCPRO50 i Betacam Digital, entre d'altres.

4: 1: 1

Novament, tenim una luma de resolució completa, mentre que ara tenim encara menys crominància: només un quart. Aquest és l'esquema de mostreig secundari que fan servir els formats NTSC DV i PAL DVCPro.

4: 2: 0

Aquesta notació ens indica que la resolució de la luma és completa (4), mentre que té una mitjana resolució en direcció vertical i horitzontal per als components de croma. En realitat, el 4: 2: 0 és un mostreig cromàtic bastant difícil que inclou gran quantitat de variants tenint en compte si el vídeo és entrellaçat o progressiu, o si està sent utilitzat per MPEG2 o PAL DV.

Amb aquest mostreig de 4: 2: 0 s'obté una resolució de color de 1/4, a l'igual que com succeeix amb el mostreig de 4: 1: 1. No obstant això, en el primer cas es comprimeix el color de forma horitzontal i vertical, mentre que en la segona notació la compressió és horitzontal.

Mostreig secundari de color a 1920 x 1080

A la HDTV analògica li va succeir la HDTV digital, una tecnologia de més qualitat i resolució. No obstant això, també va portar un gran repte per als enginyers, ja que van haver de crear una forma que fes possible que aquesta nova tecnologia pogués ser usada en els sistemes presents en aquell moment, principalment PAL i NTSC.

En conseqüència, tots els esforços van haver d'anar dirigits a fer possible una compatibilitat entre PAL i NTSC. El nou estàndard de HDTV havia de ser compatible tant per PAL com per NTSC, entre les seves principals característiques.

Les variacions que va patir aquest estàndard al llarg dels anys van ser moltes, fins que finalment es va fixar en 1125 línies verticals, comptant amb 1080 d'aquestes dedicades exclusivament a la imatge. En aquell moment, la taxa màxima per 1080 era de 29, 97 fps (NTSC), mentre que per 720 era de 59, 94 fps (NTSC).

Aquests són alguns dels valors de mostreig secundari cromàtic més usats en els diferents formats de vídeo digital de major popularitat:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0Vídeo d'internet: 4: 2: 0Calidad de transmissió HDTV: 4: 2: 2Sin comprimir (informació completa): 4: 4: 4: 4

Un mostreig secundari de 3: 1: 1 és millor que 4: 2: 2?

A l'antic format HDCAM de 1080p s'usava un 3: 1: 1, mentre que la resolució de 720p tenia i segueix tenint un mostreig secundari de 4: 2: 2. Però quin d'aquests era el millor?

Si només ens basem en les dades, és una resposta senzilla: 4: 2: 2 és el doble de 3: 1: 1 pel que fa a mostreig de color, de manera que podríem afirmar clarament que el millor en aquest cas és 4: 2: 2.

No obstant això, aquesta no pot ser una resposta absoluta, pel fet que en les notacions 4 × 4 de l'mostreig de color no es considera quina mida té la imatge.

Per tant, ¿quina d'aquestes notacions és millor? Una imatge que conté molta informació de color o una altra amb menys informació però amb millor color de mostra? No hi ha una resposta clara.

La intenció d'aquesta anàlisi tenia com a objectiu que veiem que una imatge té com a rerefons molta més informació i complexitat del que es veu superficialment.

Per descomptat, tenint sempre en compte que fem servir una mostra d'una imatge a 4: 4: 4, ja que aquesta és una notació completa en la qual s'obté la millor freqüència de mostreig.

Subsampling 4: 4: 4 vs 4: 2: 2 vs 4: 2: 0

El número 4, que és el primer nombre des de l'esquerra, ens indica la mida de la mostra.

Pel que fa als dos nombres que precedeixen aquest, estan relacionats a la informació de croma. Aquests depenen del primer número (el 4) i s'encarreguen de definir el mostreig horitzontal i vertical, respectivament.

Una imatge amb un component cromàtic de 4: 4: 4: 4 no està gens comprimida, el que significa que no va patir cap submostreig i que per tant conté de forma completa les dades sobre luminància i color.

Analitzant una matriu de píxels de quatre per dos, veiem que 4: 2: 2 conté la meitat de l'croma que trobem en un senyal 4: 4: 4, mentre que analitzant una matriu 4: 2: 0 observem que conté encara menys: només un quart d'informació cromàtica.

La freqüència de mostreig horitzontal en un senyal 4: 2: 2 serà només de la meitat (2), mentre que el seu mostreig vertical serà complet (4). En canvi, en un senyal 4: 2: 0, només hi ha mostreig cromàtic en la meitat dels píxels de la primera fila, ignorant completament els píxels de la segona fila del senyal.

Calculant la mida de les dades de l'subsampling

Hi ha un càlcul bastant senzill amb el qual podem saber exactament quanta informació és la que es va perdre després d'haver fet un mostreig secundari de color. El càlcul és el següent:

Com ja hem indicat, la màxima qualitat per a una mostra és 4 + 4 + 4 = 12

Això vol dir que una imatge amb el color complet és 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, on trobem un 100% de qualitat, sense cap compressió. A partir d'aquest punt, la qualitat d'una mostra pot variar de la següent manera:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, que és el 66, 7% 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, que és el 50% de 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, que és el 50% de 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, que és el 42% de 4: 4: 4 (12)

Per tant, si un senyal amb el color complet de 4: 4: 4 té una mida de 24 MB, vol dir que un senyal de 4: 2: 2 presentarà una mida d'uns 16 MB, mentre que una de 4: 2: 0 tindrà 12 MB de grandària i un senyal de 3: 1: 1 ocuparà a 10 MB.

Amb això ja podem comprendre per quin motiu el submostreig cromàtic és tan important i continua existint. Per sectors com internet i la televisió és fonamental pel fet que redueix la mida dels arxius i per tant necessita menys recursos d'ample de banda.

Conclusió sobre subsampling

Amb el submostreig cromàtic podem comprimir un arxiu d'imatge per reduir d'aquesta manera la seva grandària. Amb això s'aconsegueix que es requereixi menys ample de banda per transmetre-ho, sense que es perdi a primera vista la qualitat de la imatge. Això vol dir que després d'un mostreig secundari de color o subsampling, no s'adverteixen visualment imperfeccions importants.

En l'actualitat, la mostra 4: 2: 0 és fonamental per a les plataformes de continguts audiovisuals, de manera que sense aquesta tècnica de compressió, segurament hauria estat molt més difícil i car poder accedir a serveis com els continguts 4K d'Amazon i Netflix.

font wikipedia