Probenteilung von Chroma ist die Praxis, Images durch das Einführen von weniger Entschlossenheit für die chroma Information zu verschlüsseln, als für die luma Information, das Ausnutzen die niedrigere Scharfsinnigkeit des menschlichen Sehsystems für Farbenunterschiede als für die Klarheit.

Es wird in vielen Videoverschlüsselungsschemas — sowohl Analogon als auch digital — und auch in der JPEG-Verschlüsselung verwendet.

Grundprinzip

Wegen der Lagerung und Übertragungsbeschränkungen gibt es immer einen Wunsch (oder Kompresse) das Signal zu reduzieren. Da das menschliche Sehsystem zu Schwankungen in der Helligkeit viel empfindlicher ist als Farbe, kann ein Videosystem durch das Widmen von mehr Bandbreite dem luma Bestandteil optimiert werden (gewöhnlich hat Y' angezeigt), als zu den Farbenunterschied-Bestandteilen Cb und Cr. In komprimierten Images, zum Beispiel, 4:2:2 verlangt Schema von Y'CbCr zwei Drittel die Bandbreite (4:4:4) R'G'B'. Diese Verminderung läuft fast auf keinen Sehunterschied, wie wahrgenommen, durch den Zuschauer hinaus.

Wie Probenteilung arbeitet

Weil das menschliche Sehsystem zur Position und Bewegung der Farbe weniger empfindlich ist als Klarheit, kann Bandbreite durch die Speicherung von mehr Klarheitsdetail optimiert werden als Farbendetail. An normalen Augenabständen gibt es keinen wahrnehmbaren übernommenen Verlust durch die Stichprobenerhebung des Farbendetails an einer niedrigeren Rate. In Videosystemen wird das durch den Gebrauch von Farbenunterschied-Bestandteilen erreicht. Das Signal wird in einen luma (Y') Bestandteil und zwei Farbenunterschied-Bestandteile (chroma) geteilt.

In der menschlichen Vision gibt es zwei chromatische Kanäle sowie einen Klarheitskanal, und in der Farbenwissenschaft gibt es zwei chromatische Dimensionen sowie eine Klarheitsdimension. Weder in der Vision noch in der Wissenschaft ist dort völlige Unabhängigkeit chromatisch und der Klarheit. Klarheitsinformation kann von der chromatischen Information nachgelesen werden; z.B bezieht der chromatische Wert ein bestimmtes Minimum für den Klarheitswert ein. Aber es kann keine Frage der Farbenbeeinflussen-Klarheit ohne eine Postverarbeitung der getrennten Signale geben. Im Video werden der luma und die chroma Bestandteile als eine belastete Summe von gammakorrigiertem (tristimulus) R'G'B' Bestandteile statt des geradlinigen (tristimulus) RGB Bestandteile gebildet. Infolgedessen muss luma von der Klarheit bemerkenswert sein. Dass es etwas "Blutung" der Klarheit und Farbeninformation zwischen dem luma und den chroma Bestandteilen im Video, der Fehler gibt, für hoch durchtränkte Farben und bemerkenswert zwischen dem Purpurrot und den grünen Bars größt seiend, prüfen Farbenbars Muster (der chroma Probenteilung angewandt hat), sollte dieser Technikannäherung nicht zugeschrieben werden, die wird verwendet. Tatsächlich kann ähnliche Blutung auch mit dem Gamma = 1 vorkommen, woher kann das Umkehren der Ordnung von Operationen zwischen Gammakorrektur und Formen der belasteten Summe keinen Unterschied machen. Der chroma kann den luma spezifisch an den Pixeln beeinflussen, wohin die Probenteilung keinen chroma gestellt hat. Interpolation kann dann Chroma-Werte dort legen, die mit dem Luma-Wert dort und der weiteren Postverarbeitung dessen unvereinbar sind, dass Y'CbCr in R'G'B' für dieses Pixel ist, was eine falsche Klarheit schließlich auf der Anzeige erzeugt.

Ursprünglich ohne Farbenprobenteilung. 200-%-Zoom.

Image nach der Farbenprobenteilung (zusammengepresst mit Sony Vegas DV codec, Kasten-Entstörung hat gegolten.)

Die Stichprobenerhebung von Systemen und Verhältnissen

Das Probenteilungsschema wird als ein drei Teil-Verhältnis J:a:b (z.B 4:2:2), obwohl manchmal ausgedrückt, als vier Teile allgemein ausgedrückt (z.B 4:2:2:4), die die Zahl der Klarheit und Farbsignal-Proben in einem Begriffsgebiet beschreiben, das J Pixel breit, und 2 Pixel hoch ist. Die Teile sind (in ihrer jeweiligen Ordnung):

• J: horizontale ausfallende Verweisung (Breite des Begriffsgebiets). Gewöhnlich, 4.
• a: Zahl von Farbsignal-Proben (Cr, CB) in der ersten Reihe von J Pixeln.
• b: Zahl von (zusätzlichen) Farbsignal-Proben (Cr, CB) in der zweiten Reihe von J Pixeln.
• Alpha: horizontaler Faktor (hinsichtlich der ersten Ziffer). Kann weggelassen werden, wenn Alpha-Bestandteil nicht da ist, und J wenn Gegenwart gleich ist.

Ein erklärendes Image von verschiedenen chroma Probenteilungsschemas kann an der folgenden Verbindung gesehen werden:

(Quelle: "Grundlagen des Videos": http://lea.hamradio.si/~s51kq/V-BAS.HTM) oder in Details in der Farbsignal-Probenteilung in Digitalimages, durch Douglas Kerr.

Die kartografisch darstellenden angeführten Beispiele sind nur theoretisch und für die Illustration. Bemerken Sie auch, dass das Diagramm keine Chroma-Entstörung anzeigt, die angewandt werden sollte, um aliasing zu vermeiden.

Um erforderlichen Bandbreite-Faktor hinsichtlich 4:4:4 (oder 4:4:4:4) zu berechnen, muss man alle Faktoren summieren und das Ergebnis durch 12 teilen (oder 16, wenn Alpha da ist).

Typen der Probenteilung

4:4:4 Y'CbCr

Jeder der drei Bestandteile von Y'CbCr hat dieselbe Beispielrate. Dieses Schema wird manchmal in Filmscannern des hohen Endes und filmischer Postproduktion verwendet. Zwei SDI-Verbindungen (Verbindungen) sind normalerweise erforderlich, diese Bandbreite zu tragen: Verbindung A würde 4:2:2 tragen Signal, Verbindung B ein 0:2:2, würde wenn verbunden, 4:4:4 machen.

4:4:4 R'G'B' (keine Probenteilung)

Bemerken Sie, dass sich "4:4:4" stattdessen auf R'G'B beziehen kann', färben Raum, der implizit keine chroma Probenteilung überhaupt hat. Formate wie HDCAM SR können 4:4:4 R'G'B' über die Doppelverbindung HD-SDI registrieren.

4:2:2

Die zwei chroma Bestandteile werden an der Hälfte der Beispielrate von luma probiert: Die horizontale chroma Entschlossenheit wird halbiert. Das reduziert die Bandbreite eines unkomprimierten Videosignals um ein Drittel mit wenig zu keinem Sehunterschied.

Viele hohes Ende Digitalvideoformate und Schnittstellen verwenden dieses Schema:

• AVC-Intra 100
• Digitaler Betacam
• DVCPRO50 und DVCPRO HD
• Digital-S
• CCIR 601 / Seriendigitalschnittstelle / D1
• ProRes (HQ, 422, LEUTNANT und Vertretung)
• XDCAM HD422
• Kanon MXF HD422

4:2:1

Obwohl diese Weise, sehr wenige technisch definiert wird, verwenden Software oder Hardware codecs diese ausfallende Weise. CB horizontale Entschlossenheit ist zweimal mindestens einer von Cr (und viermal mindestens einer von Y). Das nutzt die Tatsache aus, dass menschliches Auge weniger Raumempfindlichkeit zu blau/gelb hat als zu rot/grün. NTSC, ist im Verwenden niedrigerer Entschlossenheit für blau/gelb ähnlich als rot/grün, der der Reihe nach weniger Entschlossenheit hat als luma.

4:1:1

In 4:1:1 chroma Probenteilung ist die horizontale Farbenentschlossenheit quartered, und die Bandbreite wird im Vergleich zu keiner chroma Probenteilung halbiert. Am Anfang, 4:1:1 chroma Probenteilung des DV-Formats wurde nicht betrachtet, Sendungsqualität zu sein, und war nur für das niedrige Ende und die Verbraucheranwendungen annehmbar. Zurzeit werden DV-basierte Formate (von denen einige 4:1:1 chroma Probenteilung verwenden) beruflich im elektronischen Nachrichtensammeln und in playout Servern verwendet. DV ist auch in Hauptfilmen und in der Digitalkinematographie sporadisch verwendet worden.

Im NTSC System, wenn der luma an 13.5 MHz probiert wird, dann bedeutet das, dass die Signale von Cr und Cb jeder an 3.375 MHz probiert werden, der einer maximalen Bandbreite von Nyquist von 1.6875 MHz entspricht, wohingegen traditionelles "hohes Ende übertragenes Analogon NTSC encoder" eine Bandbreite von Nyquist von 1.5 MHz und 0.5 MHz für die I/Q Kanäle haben würde. Jedoch im grössten Teil der Ausrüstung, besonders preiswerten Fernsehapparaten und VHS/Betamax Videorecorder haben die chroma Kanäle nur die 0.5-MHz-Bandbreite sowohl für Cr als auch für Cb (oder gleichwertig für I/Q). So stellt das DV System wirklich eine höhere Farbenbandbreite im Vergleich zu den besten zerlegbaren analogen Spezifizierungen für NTSC zur Verfügung, trotz, nur 1/4 der chroma Bandbreite eines "vollen" Digitalsignals zu haben.

Formate, die 4:1:1 chroma Probenteilung verwenden, schließen ein:

• DVCPRO (NTSC und FREUND)
• NTSC DV und DVCAM
• d-7

4:2:0

In 4:2:0 wird die horizontale Stichprobenerhebung im Vergleich zu 4:1:1 verdoppelt, aber weil die Kanäle von Cb und Cr nur auf jeder abwechselnden Linie in diesem Schema probiert werden, wird die vertikale Entschlossenheit halbiert. Die Datenrate ist so dasselbe. Das passt vernünftig gut mit der FREUND-Farbe Verschlüsselung des Systems, da das nur Hälfte der vertikalen Farbsignal-Entschlossenheit von NTSC hat. Es würde auch äußerst gut mit der SECAM-Farbe passen Verschlüsselung des Systems seitdem wie dieses Format, 4:2:0 versorgt nur und übersendet einen Farbenkanal pro Linie (der andere Kanal, der von der vorherigen Linie wieder wird erlangt). Jedoch ist wenig Ausrüstung wirklich erzeugt worden, dass Produktionen ein SECAM Entsprechungsvideo signalisieren. In allgemeinen SECAM Territorien entweder müssen einen FREUND fähige Anzeige oder ein Codeumsetzer verwenden, um das FREUND-Signal zu SECAM für die Anzeige umzuwandeln.

Verschiedene Varianten 4:2:0 chroma Konfigurationen werden gefunden in:

• Der ganze ISO/IEC MPEG und ITU-T VCEG H.26x Videocodierstandards, einschließlich H.262/MPEG-2 Durchführungen des Teils 2 wie DVD (obwohl einige Profile des MPEG-4 Teils 2 und H.264/MPEG-4 AVC Stichprobenerhebungsschemas der höheren Qualität solcher als 4:4:4 erlauben)
• FREUND DV und DVCAM
• HDV
• AVCHD und AVC-Intra 50
• Apple Intermediate Codec
• allgemeinster JPEG/JFIF und MJPEG Durchführungen
• VC-1

Cb und Cr werden jeder an einem Faktor 2 sowohl horizontal als auch vertikal subprobiert.

Es gibt drei Varianten 4:2:0 Schemas, das verschiedene horizontale und vertikale Stationieren habend.

• In MPEG-2 sind Cb und Cr cosited horizontal. Cb und Cr werden zwischen Pixeln in der vertikalen Richtung (gelegt zwischenräumlich) gelegt.
• In JPEG/JFIF werden H.261, und MPEG-1, Cb und Cr zwischenräumlich halbwegs zwischen abwechselnden luma Proben gelegt.
• In 4:2:0 sind DV, Cb und Cr co-sited in der horizontalen Richtung. In der vertikalen Richtung sind sie co-sited auf Wechsellinien.

Der grösste Teil des Digitalvideos formatiert entsprechend dem FREUND-Gebrauch 4:2:0 chroma Probenteilung mit Ausnahme von DVCPRO25, der 4:1:1 chroma Probenteilung verwendet. Sowohl 4:1:1 als auch 4:2:0 halbieren Schemas die Bandbreite im Vergleich zu keiner chroma Probenteilung.

Mit dem verflochtenen Material, 4:2:0 chroma Probenteilung kann auf Bewegungskunsterzeugnisse hinauslaufen, wenn es derselbe Weg bezüglich des progressiven Materials durchgeführt wird. Die luma Proben werden aus getrennten Zeitabständen abgeleitet, während die chroma Proben aus beiden Zeitabständen abgeleitet würden. Es ist dieser Unterschied, der auf Bewegungskunsterzeugnisse hinauslaufen kann. Der MPEG-2 Standard berücksichtigt einen verflochtenen Stellvertreter, Schema probierend, wo 4:2:0 auf jedes Feld (nicht beide Felder sofort) angewandt wird. Das behebt das Problem von Bewegungskunsterzeugnissen, reduziert die vertikale chroma Entschlossenheit anderthalbmal, und kann einem Kamm ähnliche Kunsterzeugnisse im Image einführen.

Ursprünglich. *This-Image zeigt ein einzelnes Feld. Der bewegende Text hat einen darauf angewandten Bewegungsmakel.

4:2:0 hat progressive Stichprobenerhebung für das Bewegen des verflochtenen Materials gegolten. Bemerken Sie, dass der chroma führt und den bewegenden Text schleppt. *This-Image zeigt ein einzelnes Feld.

4:2:0 hat verflochtene Stichprobenerhebung für das Bewegen des verflochtenen Materials gegolten. *This-Image zeigt ein einzelnes Feld.

In 4:2:0 verflochtenes Schema jedoch wird die vertikale Entschlossenheit des chroma grob halbiert, da die chroma Proben effektiv ein Gebiet 2 Proben beschreiben, die durch 4 Proben breit sind, die statt 2X2 hoch sind. Ebenso kann die Raumversetzung zwischen beiden Feldern auf das Äußere von einem Kamm ähnlichen chroma Kunsterzeugnissen hinauslaufen.

Ursprüngliches stilles Image.

4:2:0 hat progressive Stichprobenerhebung für ein stilles Image gegolten. Beide Felder werden gezeigt.

4:2:0 hat verflochtene Stichprobenerhebung für ein stilles Image gegolten. Beide Felder werden gezeigt.

Wenn das verflochtene Material de-interlaced sein soll, können die einem Kamm ähnlichen chroma Kunsterzeugnisse (von 4:2:0 verflochtene Stichprobenerhebung) durch das Verschmieren des chroma vertikal entfernt werden.

4:1:0

Dieses Verhältnis ist möglich, und einige codecs unterstützen es, aber es wird nicht weit verwendet. Dieses Verhältnis verwendet Hälfte des vertikalen und ein Viertel die horizontalen Farbenentschlossenheiten, mit nur einem, die der Bandbreite der maximalen verwendeten Farbenentschlossenheiten acht sind. Das unkomprimierte Video in diesem Format mit 8 Bit quantization verwendet 10 Bytes für jedes Makropixel (der 4 x 2 Pixel ist). Es hat die gleichwertige Farbsignal-Bandbreite eines FREUNDS, dem ich decodiert mit einem Verzögerungsliniendecoder, und noch sehr viel Vorgesetztem zu NTSC Zeichen gebe.

• Etwas Video codecs kann an 4:1:0.5 oder 4:1:0.25 als eine Auswahl funktionieren, um ähnlich der VHS-Qualität zu erlauben.

3:1:1

Verwendet von Sony in ihrem HDCAM Hohe Definitionsrecorder (nicht HDCAM SR). In der horizontalen Dimension wird luma horizontal an drei Vierteln des vollen HD ausfallende Rate - 1440 Proben pro Reihe statt 1920 probiert. Chroma wird an 480 Proben pro Reihe, ein Drittel des luma ausfallende Rate probiert.

In der vertikalen Dimension werden sowohl luma als auch chroma am vollen HD ausfallende Rate (1080 Proben vertikal) probiert.

Farben aus der Tonleiter

Eines der Kunsterzeugnisse, die mit der chroma Probenteilung vorkommen können, ist, dass Farben aus der Tonleiter nach der chroma Rekonstruktion vorkommen können. Nehmen Sie an, dass das Image aus roten und schwarzen Wechsel-1-Pixel-Linien bestanden hat und die Probenteilung den chroma für die schwarzen Pixel weggelassen hat. Chroma von den roten Pixeln wird auf die schwarzen Pixel wieder aufgebaut, die neuen Pixel veranlassend, positive rote und negative grüne und blaue Werte zu haben. Da Anzeigen nicht Produktion negatives Licht können (negatives Licht besteht nicht), diese negativen Werte werden effektiv abgehackt sein, und der resultierende Luma-Wert wird zu hoch sein. Ähnliche Kunsterzeugnisse entstehen im weniger künstlichen Beispiel des schrittweisen Übergangs in der Nähe von einer ziemlich scharfen roten/schwarzen Grenze.

Die Entstörung während der Probenteilung kann auch Farben veranlassen, aus der Tonleiter zu gehen.

Fachsprache

Der Begriff Y'UV bezieht sich auf ein Analogverschlüsselungsschema, während sich Y'CbCr auf ein Digitalverschlüsselungsschema bezieht. Ein Unterschied zwischen den zwei ist, dass die Einteilungsfaktoren auf den chroma Bestandteilen (U, V, CB und Cr) verschieden sind. Jedoch wird der Begriff YUV häufig falsch gebraucht, um sich auf die Verschlüsselung von Y'CbCr zu beziehen. Folglich Ausdrücke wie "4:2:2 beziehen sich YUV" immer auf 4:2:2 Y'CbCr da gibt es einfach kein solches Ding wie 4:x:x in der Analogverschlüsselung (wie YUV).

In einer ähnlichen Ader wird der Begriff Klarheit und das Symbol Y häufig falsch gebraucht, um sich auf luma zu beziehen, der mit dem Symbol Y angezeigt wird'. Bemerken Sie, dass der luma (Y') der Videotechnik von der Klarheit (Y) der Farbenwissenschaft (wie definiert, durch CIE) abgeht. Luma wird als die belastete Summe von gammakorrigierten (tristimulus) RGB Bestandteile gebildet. Klarheit wird als eine gewogene Summe von geradlinigen (tristimulus) RGB Bestandteile gebildet.

In der Praxis wird das CIE Symbol Y häufig falsch verwendet, um luma anzuzeigen. 1993 hat SMPTE Technikrichtlinie EG 28 angenommen, die zwei Begriffe klärend. Bemerken Sie, dass das Hauptsymbol 'verwendet wird, um Gammakorrektur anzuzeigen.

Ähnlich unterscheidet sich der chroma/chrominance der Videotechnik vom Farbsignal der Farbenwissenschaft. Der chroma/chrominance der Videotechnik wird von belasteten tristimulus Bestandteilen, nicht geradlinigen Bestandteilen gebildet. In der Videotechnikpraxis werden die Begriffe chroma, das Farbsignal und die Sättigung häufig austauschbar verwendet, um sich auf das Farbsignal zu beziehen.

Geschichte

Probenteilung von Chroma wurde in den 1950er Jahren von Alda Bedford für die Entwicklung des Farbenfernsehens durch RCA entwickelt, der sich in den NTSC Standard entwickelt hat; Luma-Chroma-Trennung wurde früher 1938 von Georges Valensi entwickelt.

Durch Studien hat er gezeigt, dass das menschliche Auge hohe Entschlossenheit nur für den Schwarzen und das Weiß, etwas weniger für Farben "des mittleren Bereichs" wie Gelbs und Grüne, und viel weniger für Farben auf dem Ende des Spektrums, der Rots und der Niedergeschlagenheit hat. Das Verwenden dieser Kenntnisse hat RCA erlaubt, ein System zu entwickeln, in dem sie den grössten Teil des blauen Signals verworfen haben, nachdem es aus der Kamera kommt, die meisten Grüns und nur etwas vom Rot behaltend; das ist chroma Probenteilung im YIQ-Farbenraum, und ist 4:2:1 Probenteilung grob analog, in der es abnehmende Entschlossenheit für luma, gelb/grün, und rot/blau hat.

Wirksamkeit

Während chroma Probenteilung die Größe eines unkomprimierten Images um 50 % mit dem minimalen Verlust der Qualität leicht reduzieren kann, ist die Endwirkung auf die Größe eines komprimierten Images beträchtlich weniger. Das ist, weil Bildkompressionsalgorithmen auch überflüssige chroma Information entfernen. Tatsächlich, durch die Verwendung von etwas so Rudimentärem wie chroma Probenteilung vor der Kompression, wird Information vom Image entfernt, das durch den Kompressionsalgorithmus verwendet werden konnte, um ein höheres Qualitätsergebnis ohne Zunahme in der Größe zu erzeugen. Zum Beispiel, mit Elementarwelle-Kompressionsmethoden, werden bessere Ergebnisse durch das Fallen der höchsten Frequenz chroma Schicht innerhalb des Kompressionsalgorithmus erhalten als durch die Verwendung chroma der Probenteilung vor der Kompression. Das ist, weil Elementarwelle-Kompression durch das wiederholte Verwenden von Elementarwellen als hohe und niedrige Pass-Filter funktioniert, um Frequenzbänder in einem Image zu trennen, und die Elementarwellen einen besseren Job tun als chroma Probenteilung.

Meinungsverschiedenheit

Die Details der chroma Probenteilungsdurchführung verursachen beträchtliche Verwirrung. Ist der obere leftmost chroma Wert versorgt, oder das niedrigstwertige, oder ist es der Durchschnitt aller Chroma-Werte? Das muss in Standards genau angegeben und vom ganzen implementors gefolgt werden. Falsche Durchführungen veranlassen den chroma eines Images, vom luma ausgeglichen zu werden. Wiederholte Kompression/Dekompression kann den chroma veranlassen, in einer Richtung "zu reisen". Verschiedene Standards können verschiedene Versionen zum Beispiel "4:2:0" in Bezug darauf verwenden, wie der Chroma-Wert bestimmt wird, eine Version "4:2:0" unvereinbar mit einer anderen Version "4:2:0" machend.

Richtiger upsampling von chroma kann das Wissen verlangen, ob die Quelle progressiv oder, Information verflochten ist, die häufig für den upsampler nicht verfügbar ist.

Probenteilung von Chroma verursacht Probleme für Filmemacher, die versuchen, Texteingabe mit der blauen oder grünen Abschirmung zu tun. Die chroma Interpolation entlang Rändern erzeugt erkennbare haloing Kunsterzeugnisse.

Siehe auch

• Färben Sie Raum
• SMPTE - Gesellschaft des Films und der Fernsehingenieure
• Digitalvideo
• HDTV
• YCbCr
• YPbPr
• CCIR 601 4:2:2 SDTV
• YUV
• Farbe
• Farbenvision
• Stange-Zelle
• Kegel-Zellen
• Besser bildliche Erklärung hier

• Poynton, Charles. "YUV und Klarheit haben als schädlich betrachtet: Eine Entschuldigung für die genaue Fachsprache im Video"

• Poynton, Charles. "Digitalvideo und HDTV: Algorithmen und Schnittstellen". Die Vereinigten Staaten: Herausgeber von Morgan Kaufmann, 2003.
• Kerr, Douglas A. "Farbsignal-Probenteilung in Digitalimages"