Matryce telewizorów stają się coraz bardziej zaawansowane. Kolejne modele obsługują coraz wyższe rozdzielczości obrazu, wzrasta także częstotliwość próbkowania. Te czynniki sprawiają, że kable muszą mieć coraz wyższą przepustowość, aby przesłać sygnał o wymaganych parametrach. Jednym ze sposobów na rozwiązanie tego problemu jest kompresja obrazu. Pozwala ona na przesłanie większej ilości danych kablem niż byłoby to możliwe w normalnych warunkach. W tym artykule wyjaśnimy, jak za pomocą odpowiedniego kodowania obrazu można go skompresować bez znaczącej utraty jakości. Wytłumaczymy, na czym polegają różnice pomiędzy próbkowaniem 4:4:4 oraz podpróbkowaniem 4:2:0 i 4:2:2, często wykorzystywanym w zapisie obrazu.
Fot. Unsplash.com
Trochę teorii
Każdy zapewne wie, że obraz wyświetlany w telewizorze, bądź monitorze składa się z pikseli. Jest to najmniejsza część obrazu, jaka może być wydzielona jako poszczególny element. Każdy taki punkt na ekranie posiada określony kolor. Definiujemy go za pomocą trzech składowych – RGB. Mieszając w różnych proporcjach te trzy podstawowe kolory możemy otrzymać dowolny odcień. Przez lata odbiorcy telewizji analogowej oglądali kolory będące mieszaniną trzech podstawowych składowych – czerwonego, zielonego i niebieskiego.
YUI
O ile sposób zapisu kolorów RGB znają zapewne wszyscy, o tyle YUI, wykorzystywany w telewizji cyfrowej może być dla niektórych pewną nowością. W tym skrócie pierwsza litera, czyli Y określa obraz w skali szarości, natomiast U oraz I definiują barwę i nasycenie koloru.
Luminancja i chrominancja
Jak już wyjaśniliśmy, wyświetlany na ekranie obraz składa się z pikseli, z których każdy ma ściśle określone cechy. Dwie najważniejsze z nich to luminancja i chrominancja. Najprościej rzecz ujmując pierwsza cecha określa jasność danego piksela, a druga kolor. Nietrudno się domyślić, że pozbawiając piksel informacji dotyczącej koloru, czyli chrominancji otrzymamy jedynie czarno-biały materiał. Co się stanie, gdyż pozbawimy piksele informacji o luminancji? Obraz przestanie być widoczny.
Podświadomie zdajemy sobie sprawę, że te dwie wartości są niezbędne, abyśmy mogli cieszyć się kolorowym obrazem. Okazuje się jednak, że niekoniecznie. Inżynierowie zajmujący się przetwarzaniem obrazu odkryli, że oko ludzkie wykazuje umiarkowaną czułość na niewielką zmianę barwy. Ta cecha narządu wzroku związana jest z budową ludzkiego oka. Człowiek posiada bowiem dużo więcej pręcików, odpowiadających za odróżnianie jasności niż czopków, które uczestniczą w rozróżnianiu barw.
Co oznaczają symbole 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0?
Powoli docieramy do sedna. Właśnie te trzy cyfry oddzielone od siebie dwukropkiem dotyczą podpróbkowania kolorów (ang. chroma subsampling). Informują one użytkownika o sposobie próbkowania chrominancji. Pierwsza cyfra, która przeważnie wynosi 4 oznacza liczbę próbek luminancji, do której będziemy odnosili pozostałe wartości. Druga cyfra określa liczbę próbek chrominancji w górnym rzędzie obszaru próbkowania. Wartość tę odnosimy oczywiście do ilości próbek luminancji. Trzecia wartość informuje nas o tym, ile próbek otrzyma chrominancję w drugim rzędzie obszaru próbkowania. Posiadając powyższe informacje wiecie już zapewne, że największą wierność odwzorowania kolorów będzie posiadał schemat próbkowania 4:4:4. W tym przypadku każdy z pikseli posiada próbki chrominancji. Nie występuje zatem kompresja obrazu. Jak łatwo się domyślić, taki sposób zapisu zajmuje największy rozmiar. Do poprawnego przesłania pliku wymagana jest duża przepustowość kabla.
Specjaliści od obrazu stwierdzili, że bazując na niedoskonałości ludzkiego wzroku można zaoszczędzić nieco miejsca na rozmiarze zapisanego obrazu, pozbawiając niektórych pikseli informacji o chrominancji. Ta metoda pozwala zachować podobną jakość obrazu, zmniejszając znacząco jego rozmiar. Podpróbkowanie 4:2:2 także zapewnia użytkownikom wierne przekazanie kolorów. W tym przypadku próbki chrominancji zostają podzielone na dwa piksele zarówno w pierwszym, jak i w drugim rzędzie obszaru próbkowania. W przypadku podpróbkowania 4:2:0 próbki chrominancji dzielone są pomiędzy dwa piksele. Wartość 0 oznacza, że próbki z rzędu b nie otrzymują informacji o chrominancji, a jedynie „dziedziczą” informację z wiersza powyżej.
Podpróbkowanie w filmach i programach telewizyjnych
W filmach i programach telewizyjnych powszechnie wykorzystywane jest podpróbkowanie 4:2:0. Różnice w jakości obrazu w stosunku do próbkowania 4:4:4 są dyskusyjne. Dużo zależy od wrażliwości wzroku danej osoby. Większość osób uważa jednak, że podpróbkowanie 4:2:0 jest prawie bezstratne wizualnie, dlatego często jest ono wykorzystywane w filmach dostępnych na nośnikach Blu-ray. W miarę wzrostu rozdzielczości obrazu gęstość pikseli staje się coraz większa, dlatego artefakty podpróbkowania stają się coraz mniejsze. Wymierną korzyścią kompresji jest znacznie mniejsza ilość miejsca, jakie zajmie dany plik.
Podsumowanie
Tajemnicze dotąd cyfry okazują się przydatną informacją z punktu widzenia użytkownika. Informują bowiem, jaki schemat próbkowania zastosowany został podczas wyświetlania obrazu. Teoretycznie, z punktu widzenia użytkownika najbardziej pożądany jest obraz z pełną informacją o chrominancji i luminancji każdej próbki, czyli 4:4;4. W praktyce stosowany on jest jednak rzadko. Ludzkie oko, ze względu na swoje niedoskonałości, w większości przypadków nie jest w stanie wychwycić różnić między próbkowaniem 4:4:4 a podpróbkowaniem 4:2:2, które stosowane jest najczęściej. Zastosowanie podpróbkowania pozwala znacząco ograniczyć rozmiar pliku i zmniejszyć przepustowość łącza potrzebną do jego przesłania. Warto wiedzieć, że bez zastosowania podpróbkowania nie byłoby możliwe strumieniowe przesyłanie filmów w 4K, które wykorzystują takie serwisy jak Netflix czy HBO GO.
