色度抽样

在数位图像处理领域中，色彩采样是指在表示图像时使用较亮度信息低的分辨率来表示色彩（色度）信息。当对模拟分量视频或者YUV讯号进行数字抽样时，一般会用到色度抽样。

**原理**
由于储存及传送的限制，我们通常需要减少（或压缩）信息以减低负荷。由于人眼对色度的敏感度不及对亮度的敏感度，图像的色度分量不需要有和亮度分量相同的清晰度，所以许多视讯系统在色差通道上进行较低（相对亮度通道）清晰度（例如，抽样频率）的抽样。这样在不明显降低画面质量的同时降低了影像讯号的总频宽。因抽样而丢失的色度值用内插值，或者前一色度值来替代。在压缩影像中，以4:2:2 Y'CbCr作例，它只需R'G'B'（4:4:4）三分之二的频宽。频宽的减少在肉眼上几乎没有影像上差别。

**色彩采样的用法**
由于人类的视觉系统对颜色的位置及移动不及对亮度敏感，频宽上可以以储存较多的亮度细节、较少的色度细节作优化。在一般影像观看距离时，色度细节在较低的取样率下仍不引起可察觉的损失。于视频系统中，可以以不同颜色分部的取样而达成以上结果。视频讯号可分别为一个亮度分量（Y'）及两个不同颜色分量（色度）。
色彩采样是颜色科学的分支，在颜色科学亮度及色度分量是以一个伽玛校正（三重刺激）的R'G'B'分量的加权总和形成，代替线性（三重刺激）的R'G'B'分量。因此，明度及颜色细节并非完全互相独立。在亮度及色度分量之间会存在着一些明度及颜色资讯的「溢出」（"Bleeding"）现象（如下图所示）。此误差尤其于高饱和的颜色情况下出现，其现象在彩条测试图（经色彩采样）中洋红色及绿色之间会轻微显著。在工程学的概算下（即是将「伽玛校正」及「组成加权总和」两个步骤逆向进行），使色彩采样方式更容易实行。
File:Color-bars-original.png
原图，未经色彩采样，200%放大。
File:Color-bars-vegas-dv.png
经色彩采样的图像（以Sony Vegas DV编码器压缩，套用Box滤镜）

**抽样系统及比例**
视频系统的抽样系统中通常用一个三分比值表示：J:a:b（例如4:2:2），形容一个以J个像素宽及两个像素高的概念上区域，有时候会以四分比值表示（例如4:2:2:4）。依序列出为：- J：水平抽样参照（概念上区域的宽度）。通常为4。- a：在J个像素第一行中的色度抽样数目（Cr, Cb）。- b：在J个像素第二行中的额外色度抽样数目（Cr, Cb）。- Alpha：水平因数（与首数值有关连）。若没有此部分者可忽略，或存在时与J相同。
以下连结中的一幅教学图片解释了不同抽样系统的运作：http://lea.hamradio.si/~s51kq/subsample.gif date=20210224092542  （资料来源：" Basics of Video" ）以及 date=20080915101832  由Douglas Kerr所着的"Chrominance Subsampling in Digital Images" date=20210224052201 。
以上例图仅给出理论上的示例。以及注意图中并没有表明任何色度过滤（防止叠影的措施）。
在计算与4:4:4抽样（或4:4:4:4）有关的频宽系数时，把各系数加总再除以12（当有Alpha时除以16）。
在比较图像质量时，这三个值之间的比值才是重要的，所以4:4:4可以简化为1:1:1；但是习惯上亮度样本的数量值总为4，其他两个值依此类推。
有时抽样率为四分比值，如4:2:2:4。这时第四个值是调制通道的抽样频率比值。事实上，因为在调制应用中非常需要高质量图像，所以这个值在任何情况下都为4。

**各种抽样系统介绍**

**4:4:4 Y'CbCr**
每三个Y'CbCr分量都有相同抽样率。此系统有时候用作高阶底片扫瞄器及电影后期制作中。通常会以两条SDI通道连线来承载4:4:4频宽讯号：通道A会盛载4:2:2的讯号，通道B则会承载0:2:2的讯号，合并成4:4:4讯号。

**4:4:4 R'G'B'（没有抽样）**
需要注意的是，有时候"4:4:4"也表示在RGB色度空间中，全部没有作任何色度抽样。如HDCAM SR等格式可以以双通道HD-SDI记录4:4:4 R'G'B'讯号。

**4:2:2**
每个色差通道的抽样率是亮度通道的一半，即水平色差清晰度分半。这样从无压缩视频中可减少了三分之一的频宽，当中的视觉差别仅仅少量甚至不存在。
大多数高端数码视频格式采用这一比率，如：- AVC-Intra 100- Digital Betacam- DVCPRO50及DVCPRO HD- Digital-S- CCIR 601 / 串列数位介面 / D1- ProRes（HQ, 422, LT, and Proxy）- XDCAM HD422- Canon MXF HD422

**4:2:1**
虽然此系统己在技术上定义存在，但只有非常少的软、硬体编解码器使用。Cb水平清晰度为Cr的两倍，以及亮度清晰度的四分之一。这样为证明了人的肉眼对于蓝色和黄色的空间上敏感度，比红色和绿色的弱。NTSC系统相似以上算法，将蓝色和黄色的清晰度减弱，令其清晰度比亮度为低。

**4:1:1**
4:1:1色彩取样中，水平色度清晰度为四分之一，为全频宽的一半。起初DV格式的4:1:1色彩取样不被考虑用作广播级用途，被低端及家用产品应用。当代的DV格式（一些包括4:1:1色度抽样）都被用作如电子新闻采访等专业级用途。DV格式偶尔被用作数位电影摄影。
NTSC系统中，若亮度以13.5 MHz取样，表示Cr及Cb的讯号都以3.375 MHz取样，符合最高1.6875 MHz的奈奎斯特频宽。而传统「高端广播级NTSC模拟讯号编码器」，在I/Q波段中只有分别1.5 MHz及0.5 MHz的奈奎斯特频宽。不过在大部分器材中，尤其是廉价电视机及VHS/Betamax录影机中，色度波段只有0.5 MHz的频宽给Cr及Cb分量使用。所以尽管和全频宽数位讯号比较，仅有四分之一的色度频宽，其实DV系统提供了比高阶NTSC色差模拟规格更优质的色彩频宽。
使用4:1:1色彩取样的格式包括：- DVCPRO- NTSC DV及DVCAM- D-7

**4:2:0**
4:2:0又称I420。I420是YUV格式的一种，属于planar format。4:2:0并不意味着只有Y,Cb而没有Cr分量。它指的是对每行扫描线来说，只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4:2:0的话，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此类推。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1，所以可以说色度的抽样率是4:1。PAL制式和SECAM制式的色彩系统特别适合于用这种方式来存储。绝大多数视频编解码器都采用这种格式作为标准的输入格式。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。
映射：
码流
Yo0 Uo0 Yo1 Yo2 Uo2 Yo3
Ye0 Ve0 Ye1 Ye2 Ve2 Ye3
将被映射为下面的两行各四个像素：
Yo0 Uo0 Ve0 Yo1 Uo0 Ve0 Yo2 Uo2 Ve2 Yo3 Uo2 Ve2
Ye0 Uo0 Ve0 Ye1 Uo0 Ve0 Ye2 Uo2 Ve2 Ye3 Uo2 Ve2
使用这种方法的质量很接近于4:1:1,通常应用于下面的格式：- 所有版本的MPEG，包括如DVD等MPEG-2成品（虽然有些MPEG-4 profile容许如4:4:4的更高质素采样）- PAL DV及DVCAM- HDV- AVCHD- 最常见的JPEG/JFIF、H.261，及MJPEG成品- VC-1

**4:1:0**
这种格式虽然是存在的（也确实有些编解码器支持这种格式），但是并没有得到广泛的应用，因为它在色度方面的清晰度比传统的VHS录像带还要差。这种方法对水平方向进行4:1的色度抽样，对竖直方向进行2:1的色度抽样。比起4:4:4，它的色度数据量仅仅是1/8大小。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由4x2个2行4列相邻的像素组成的宏像素需要占用10字节内存。
映射：
码流
Yo0 Uo0 Yo1 Yo2 Yo3
Ye0 Ve0 Ye1 Ye2 Ye3
将被映射为下面的两行各四个像素：
Yo0 Uo0 Ve0 Yo1 Uo0 Ve0 Yo2 Uo0 Ve0 Yo3 Uo0 Ve0
Ye0 Uo0 Ve0 Ye1 Uo0 Ve0 Ye2 Uo0 Ve0 Ye3 Uo0 Ve0

**色彩抽样实例**

**4:2:0抽样及还原实例**
 注意4:2:0色彩抽样为失真压缩(lossy compression)，无可避免地会损失一些资料，导致重建时有些许失真。- 对RGB图像做抽样(压缩)
** 基本思路(pseudo code)
**# 输入(input)一张RGB图片。
**# 将其转成Y-Cb-Cr之格式。
**#* Y  =  0.299*R +  0.587*G +  0.114*B
**#* Cb = -0.169*R + -0.331*G +  0.500*B
**#* Cr =  0.500*R + -0.419*G + -0.081*B
**# 对Cb和Cr做抽样动作，(2+0)/(4+4)=0.25，即只留下四分之一的资料量。可以考虑只留下偶数行列或奇数行列之资料。
**# Y分量则保持不变，如此便完成抽样。- 将抽样之资料还原
** 基本思路(pseudo code)
**# 输入经过4:2:0抽样之YCbCr资料。
**# 使用插值法(interpolation)来重建Cb和Cr的资料。
**# 将YCbCr资料重新转换回RGB。
**#* R = 1.000*Y +   (-219/236311)*Cb+   (331234/236311)*Cr
**#* G = 1.000*Y + (-81219/236311)*Cb+ (-168766/236311)*Cr
**#* B = 1.000*Y + (418781/236311)*Cb+     (234/236311)*Cr
**# 如此便完成4:2:0之重建，可输出(output)图像确认。- 程式实例(matlab)
%此程式范例基于matlab语言编写
%目的是将原图像(pictureA)做4:2:0之色彩取样
%再将取样过后的资料做重建并输出(pictureB)
clear all
picA=double(imread('pictureA.jpg')); %input pictureA, 转成double格式
ROW,COL,DIM = size(picA); %提取SIZE
yA = picA(:,:,1) * 0.299 + picA(:,:,2) * 0.587 + picA(:,:,3) * 0.114; % pictureA RGB to YCbCr
cbA = picA(:,:,1) *-0.169 + picA(:,:,2) *-0.331 + picA(:,:,3) * 0.500;
crA = picA(:,:,1) * 0.500 + picA(:,:,2) *-0.419 + picA(:,:,3) *-0.081;
yC = yA;
cbC = cbA;
crC = crA;
for i=1:ceil(ROW/2)  % 4:2:0 compress, cb cr只取偶数行列
cbC(i,:)=;
crC(i,:)=; 
end
for i=1:ceil(COL/2)
cbC(:,i)=;
crC(:,i)=; 
end
%完成4:2:0抽样
%重建并输出成pictureB
yB = zeros(ROW,COL);
cbB = zeros(ROW,COL);
crB = zeros(ROW,COL);
yB = yC; 
for i=1:ROW
for j=1:COL
if rem(i,2)==0
if rem(j,2)==0
cbB(i,j)=cbC(i/2,j/2);
crB(i,j)=crC(i/2,j/2);
end
end
end
end
for i=1:ROW %还原row
if i==1
cbB(i,:)=cbB(i+1,:); %在首行则与第二行资料一致
crB(i,:)=crB(i+1,:);
elseif (rem(i,2)==1) & (i

**参考资料**
Jian-Jiun Ding, Advanced Digital Signal Processing class note, the Department of Electrical Engineering, National Taiwan University (NTU), Taipei, Taiwan, 2020.

**参见**
色彩空间
*SMPTE - Society of Motion Picture and Television Engineers
*Digital video
*HDTV
*YCbCr
*YPbPr
*CCIR 601 4:2:2 SDTV
*YUV
*Color
*color vision
**Rod cell
**cone cells