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。
原图，未经色彩采样，200%放大。
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：
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 （资料来源："Basics of Video" ）以及 由Douglas Kerr所著的"Chrominance Subsampling in Digital Images" 。
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：
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：
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&lt;br&gt;
 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]&lt;br&gt;
 [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：
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&lt;br&gt;
 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]&lt;br&gt;
 [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.
%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) &amp; (i&lt;ROW)
 cbB(i,:)=(cbB(i+1,:)+cbB(i-1,:))/2; %缺少资料的奇数行利用隔壁之偶数行资料进行插值重建
 crB(i,:)=(crB(i+1,:)+crB(i-1,:))/2;
 elseif (rem(i,2)==1) &amp; (i==ROW)
 cbB(i,:)=cbB(i-1,:); %在末行则与隔壁行一致
 crB(i,:)=crB(i-1,:);
 end
end
for i=1:COL %还原col
 if i==1
 cbB(:,i)=cbB(:,i+1); %在首列则与第二列资料一致
 crB(:,i)=crB(:,i+1);
 elseif (rem(i,2)==1) &amp; (i&lt;COL)
 cbB(:,i)=(cbB(:,i+1)+cbB(:,i-1))/2; %缺少资料的奇数列利用隔壁之偶数列资料进行插值重建
 crB(:,i)=(crB(:,i+1)+crB(:,i-1))/2;
 elseif (rem(i,2)==1) &amp; (i==COL)
 cbB(:,i)=cbB(:,i-1); %在末列则与隔壁列一致
 crB(:,i)=crB(:,i-1);
 end
end
YCCB(:,:,1)=yB; %重建YCbCr格式的pictureB
YCCB(:,:,2)=cbB;
YCCB(:,:,3)=crB;
RB = yB * 1 + cbB * -219/236311 + crB * 331234/236311; % pictureB YCbCr to RGB
GB = yB * 1 + cbB * -81219/236311 + crB * -168766/236311;
BB = yB * 1 + cbB * 418781/236311 + crB * 234/236311;
RGBB(:,:,1)=RB; %重建RGB格式的pictureB
RGBB(:,:,2)=GB;
RGBB(:,:,3)=BB;
image(RGBB/255) % SHOW
imwrite(RGBB/255,'pictureB.jpg') % output
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.