Lấy mẫu phụ sắc độ

Lấy mẫu phụ sắc độ là việc thực hiện mã hóa hình ảnh bằng cách lấy độ phân giải cho thông tin  sắc độ  ít hơn cho  thông tin độ sáng, lợi dụng việc thị lực của con người ít nhạy cảm với màu sắc hơn là độ sáng.
Nó được sử dụng trong nhiều phương pháp mã hóa video,  cả mã hóa tương tự và và mã hóa kỹ thuật số,  và cũng trong mã hóa JPEG.

Cơ sở lý luận

Tín hiệu số thường được nén để giảm kích thước tệp và tiết kiệm thời gian truyền. Do thị giác của con người nhạy cảm với các biến đổi độ sáng hơn với màu sắc, nên một hệ thống video có thể được tối ưu hóa bằng cách dành nhiều băng thông cho thành phần độ sáng (thường được ký hiệu là Y '), so với các thành phần khác biệt màu Cb và Cr. Ví dụ, trong ảnh nén, sơ đồ  4: 2: 2 Y'CbCr yêu cầu hai phần ba băng thông của (4: 4: 4) R'G'B '. Việc giảm này hầu như không có sự khác biệt về thị giác theo cảm nhận của người xem.

Cách thức hoạt động của mẫu phụ

Do  thị giác của con người ít nhạy cảm với vị trí và chuyển động của màu hơn độ sáng, băng thông có thể được tối ưu hóa bằng cách lưu trữ nhiều chi tiết độ sáng hơn chi tiết màu. Ở khoảng cách xem bình thường, không thể cảm nhận được sự khác biệt khi lấy mẫu chi tiết màu ở tỷ lệ thấp hơn. Trong các hệ thống video, điều này đạt được thông qua việc sử dụng các thành phần khác nhau màu sắc. Tín hiệu được chia thành một thành phần độ sáng (Y ') và hai thành phần về màu sắc (sắc độ).
Thị giác của con người có ba kênh để phát hiện màu sắc. Đối với nhiều hệ màu, ba "kênh" là đủ để thể hiện hầu hết các màu. Ví dụ: đỏ, xanh lá cây, xanh dương hoặc magenta, vàng, cyan. Nhưng có những cách khác để thể hiện màu sắc. Trong nhiều hệ thống video, ba kênh là: một kênh độ sáng và hai kênh sắc độ. Trong video, các thành phần độ sáng và sắc độ được tạo ra từ một tổng trọng số của điều chỉnh-gamma (tristimulus) R'G'B' thay vì các thành phần (tristimulus) RGB tuyến tính. Kết quả là, độ sáng này phải được phân biệt với độ sáng gốc. Có một số rò rỉ của độ sáng gốc và thông tin màu giữa các thành phần độ sáng và sắc độ trong video, lỗi lớn nhất đối với các màu nổi bật cao và đáng chú ý ở giữa các vạch màu đỏ tươi và xanh lục của mẫu), không nên quy cho kỹ thuật xấp xỉ đang được sử dụng. Thật vậy, rò rỉ tương tự cũng có thể xảy ra với gamma = 1, do đó việc đảo ngược thứ tự các thao tác giữa hiệu chỉnh gamma và hình thành tổng trọng số có thể không có sự khác biệt. Màu sắc có thể ảnh hưởng đến độ sáng đặc biệt ở các pixel nơi mẫu phụ không có sắc độ. Nội suy sau đó có thể đặt các giá trị sắc độ không phù hợp với giá trị độ sáng ở đó và xử lý hậu kỳ từ Y'CbCr sang R'G'B 'cho pixel đó  tạo ra độ sáng sai khi hiển thị.
Bản gốc không có lấy mẫu phụ màu. Thu phóng 200%.
Hình ảnh sau khi lấy mẫu phụ màu (được nén bằng codec Sony Vegas DV, áp dụng lọc hộp.)

4: 4: 4

Mỗi trong số ba thành phần Y'CbCr có cùng tốc độ mẫu, do đó không có mẫu phụ sắc độ. Kiểu này đôi khi được sử dụng trong máy quét phim cao cấp và sản xuất điện ảnh.
Lưu ý rằng "4: 4: 4" thay vào đó có thể đề cập đến không gian màu của R'G'B ', mặc nhiên cũng không có bất kỳ mẫu phụ sắc độ nào. Các định dạng như HDCAM SR có thể ghi 4: 4: 4 R'G'B 'qua HD-SDI liên kết kép.

4: 2: 1

Chế độ lấy mẫu này không thể biểu thị theo ký hiệu J: a: b. '4: 2: 1' là một thuật ngữ lỗi thời từ sơ đồ công chứng trước đó và rất ít phần mềm mã hóa hoặc phần cứng sử dụng nó. Độ phân giải ngang của Cb bằng một nửa so với Cr (và một phần tư độ phân giải ngang của Y).

3: 1: 1

Được Sony sử dụng trong máy ghi âm độ nét cao HDCAM của họ (không phải HDCAM SR). Theo chiều ngang, độ sáng được lấy mẫu theo chiều ngang ở ba phần tư tốc độ lấy mẫu full HD  –    1440 mẫu mỗi hàng thay vì 1920. Sắc độ được lấy mẫu ở 480 mẫu mỗi hàng, một phần ba tốc độ lấy mẫu độ sáng.
Trong kích thước chiều dọc, cả luma và sắc độ đều được lấy mẫu ở tốc độ lấy mẫu HD đầy đủ (1080 mẫu theo chiều dọc).

Màu sắc ngoài gam

Một trong những yếu tố có thể xảy ra với việc lấy mẫu sắc độ là màu sắc ngoài luồng có thể xảy ra khi tái tạo sắc độ. Giả sử hình ảnh bao gồm các vạch đỏ và đen 1 pixel xen kẽ và mẫu phụ bỏ qua sắc độ cho các pixel đen. Sắc độ từ các điểm ảnh màu đỏ sẽ được xây dựng lại vào các điểm ảnh màu đen, khiến các điểm ảnh mới có giá trị  màu đỏ dương và xanh lục âm và màu xanh lam. Vì màn hình không thể phát ra ánh sáng âm (không tồn tại ánh sáng âm), các giá trị âm này sẽ được cắt bớt một cách hiệu quả và giá trị độ sáng kết quả sẽ quá cao. Các hệ quả tương tự phát sinh trong ví dụ ít nhân tạo về sự tăng màu gần ranh giới đỏ / đen khá sắc nét.
Lọc trong quá trình lấy mẫu cũng có thể khiến màu sắc bị mất đi.

Thuật ngữ

Thuật ngữ Y'UV dùng để chỉ sơ đồ mã hóa tương tự trong khi Y'CbCr đề cập đến sơ đồ mã hóa kỹ thuật số.    Một điểm khác biệt giữa hai yếu tố này là các yếu tố tỷ lệ trên các thành phần sắc độ (U, V, Cb và Cr) là khác nhau. Tuy nhiên, thuật ngữ YUV thường được sử dụng sai để chỉ mã hóa Y'CbCr. Do đó, các biểu thức như "4: 2: 2 YUV" luôn đề cập đến 4: 2: 2 Y'CbCr vì đơn giản là không có thứ gì như 4: x: x trong mã hóa tương tự (như YUV).
Tương tự, thuật ngữ độ chói và ký hiệu Y thường được sử dụng một cách sai lầm để chỉ độ sáng, được biểu thị bằng ký hiệu Y '. Lưu ý rằng độ sáng (Y ') của kỹ thuật video lệch khỏi độ chói (Y) của khoa học màu sắc (như được định nghĩa bởi CIE). Độ sáng được hình thành dưới dạng tổng trọng số của các thành phần RGB được điều chỉnh gamma (tristimulus). Độ chói được hình thành dưới dạng tổng của các thành phần RGB tuyến tính (tristimulus).
Trong thực tế, CIE ký hiệu Y  sử dụng không chính xác để biểu thị độ sáng. Năm 1993, SMPTE đã thông qua Hướng dẫn kỹ thuật EG 28, làm rõ hai điều khoản. Lưu ý rằng ký hiệu (') được sử dụng để biểu thị hiệu chỉnh gamma.
Tương tự, sắc độ / sắc độ của kỹ thuật video khác với sắc độ của khoa học màu sắc. Sắc độ / sắc độ của kỹ thuật video được hình thành từ các thành phần tristimulus có trọng số, không phải các thành phần tuyến tính. Trong thực hành kỹ thuật video, các thuật ngữ sắc độ, sắc độ và độ bão hòa thường được sử dụng thay thế cho nhau để đề cập đến sắc độ.

Lịch sử

Lấy mẫu Chroma được phát triển vào những năm 1950 bởi Alda Bedford để phát triển truyền hình màu bởi RCA, phát triển thành tiêu chuẩn NTSC; tách luma-chroma đã được phát triển trước đó, vào năm 1938 bởi Georges Valensi.
Qua các nghiên cứu, ông đã chỉ ra rằng mắt người có độ phân giải cao chỉ dành cho màu đen và trắng, phần nào ít hơn đối với các màu "tầm trung" như màu vàng và xanh lục, và ít hơn nhiều đối với các màu ở cuối phổ, đỏ và xanh lam. Sử dụng kiến thức này cho phép RCA phát triển một hệ thống trong đó họ loại bỏ hầu hết tín hiệu màu xanh sau khi nó phát ra từ máy ảnh, giữ hầu hết màu xanh lá cây và chỉ một số màu đỏ; đây là mẫu phụ sắc độ trong không gian màu YIQ và gần giống với mẫu phụ 4: 2: 1, trong đó nó có độ phân giải giảm cho luma, vàng / xanh lá cây và đỏ / xanh.