Podpróbkowanie chromatyczne obejmuje kompresję informacji o kolorze w materiale wideo w celu zmniejszenia całkowitego rozmiaru pamięci i szybkości transmisji plików wideo. Jest to metoda stosowana w wielu kodekach wideo, a stopień kompresji jest często wyrażany jako zestaw liczb, takich jak 4:2:2. Zamiast serwować Ci zupę liczbową, upewnijmy się, że masz wyjaśnienie, co to znaczy. Niezależnie od tego, czy jest to 4:4:4 czy 4:2:0, ta specyfikacja może mieć ogromny wpływ na wideo, zwłaszcza podczas postprodukcji.
Piksele:bloki konstrukcyjne wideo
Aby zrozumieć podpróbkowanie chrominancji, ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób obraz jest tworzony w klatce wideo. Mówiąc najprościej, obraz wideo składa się z pikseli — pojedynczych punktów ustawionych rzędami na ekranie. Każdy piksel ma określoną luminancję i chrominancję, obie określone przez dane, które definiują ten piksel. Luminancja odnosi się do tego, jak jasny jest piksel, tworzy kontrast i szczegóły w całym obrazie. Jeśli informacja o luminancji jest izolowana, bez informacji o chromie, wynikowy obraz będzie czarno-biały. Technicznie byłaby to skala szarości, ponieważ istnieją różne głębokości kontrastu między czystą czernią a czystą bielą.
Chrominance to informacja o kolorze piksela, która określa, czy piksel jest czerwony, zielony, niebieski, czy gdzieś pomiędzy. Istnieje kilka przestrzeni kolorów, według których renderowany jest kolor, niezależnie od tego, podstawowa metoda podpróbkowania chrominancji jest taka sama. Podczas gdy luminancja może renderować czarno-biały obraz, gdy jest izolowany, chrominance renderuje czarny, gdy jest izolowany. Tworzenie obrazu zależy od luminancji. Chrominancja to dane, które definiują kolor i jaka część tego koloru jest reprezentowana w każdym pikselu. Podpróbkowanie chromatyczne to redukcja informacji o kolorze. Osiąga się to poprzez udostępnianie danych dla jednego piksela w próbce kilku pikseli, mniejszej niż te, które składają się na cały obraz.
Ludzkie oko
Podpróbkowanie Chroma jest skuteczne i udane, nie tylko ze względu na anatomię wideo, ale także ze względu na ludzkie oko i sposób, w jaki widzi ono kolory i interpretuje obrazy. Ludzkie oko jest niezwykłą częścią ośrodkowego układu nerwowego. Jest w stanie wychwytywać i skupiać światło na swoich fotoreceptorach i dostarczać dane z tego wizualnego sygnału wejściowego do mózgu. Fotoreceptory to komórki wyściełające tył oka w siatkówce, w których skupia się światło. Istnieją dwa podstawowe typy komórek fotoreceptorowych:pręciki i czopki. Pręciki są bardzo wrażliwe na światło i są achromatyczne, co oznacza, że nie widzą koloru. Czopki są mniej wrażliwe na światło, ale są chromatyczne, zdolne do postrzegania koloru.
Istnieje 100 lub więcej milionów komórek fotoreceptorowych, a mniej niż 20 procent z nich to czopki w porównaniu z pręcikami. Z tego powodu ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na luminancję, jasność i kontrast obrazu, a mniej na chrominancję, czyli informacje o kolorze obrazu. Gdy części luminancji i chrominancji są połączone w celu utworzenia ogólnego obrazu, zdegradowana lub skompresowana ilość informacji chrominancji nie jest bardzo zauważalna. Ludzkie oko widzi ogólny obraz, z ostrością tego obrazu zdefiniowaną przez złożoną w nim luminancję i informacje o chrominancji. Fakt, że w chrominancji jest mniej szczegółowych informacji, jest pomijany przez oko i postrzegany jest cały obraz.
Jak działa podpróbkowanie chrominancji?
Aby podpróbkowanie chroma mogło działać, a rozmiar danych obrazu mógł zostać zmniejszony, inżynierowie wymyślili sposób udostępniania informacji o chromie w różnych pikselach, przy jednoczesnym zachowaniu różnej ilości informacji o luminancji dla tego samego zakresu pikseli. Selekcja informacji z fragmentu obrazu nazywana jest próbkowaniem. Podpróbkowanie to wybór określonych pikseli, ale nie każdego piksela, w celu określenia informacji o chromacie, która jest używana jako reprezentatywna dla wszystkich pikseli. Podpróbkowanie to część lub ułamek całkowitego próbkowania chrominancji na obrazie.
Podpróbkowanie Chroma jest wyrażone jako wzór liczbowy, który reprezentuje stosunek pikseli użytych w podpróbkowaniu tego klipu. Ten stosunek jest reprezentowany przez trzy liczby oddzielone dwukropkami. Zapisane, że wygląda to jako J:a:b, jest to stosunek szerokości piksela obszaru próbkowania do liczby pikseli próbkowanych z każdego wiersza w tym regionie próbkowania. „J” to reprezentatywna całkowita liczba pikseli w poziomym obszarze próbkowania. W większości przypadków „J” będzie równe cztery.
Kolejne dwie cyfry współczynnika, cyfry „a” i „b”, odnoszą się do rozdzielczości pionowej, która jest próbkowana w obszarze próbkowania „J”. Druga cyfra współczynnika, pozycja „a”, to liczba pikseli próbkowanych w pierwszym rzędzie pikseli, zgodnie z definicją „J”. Pozycja „b” współczynnika to liczba pikseli próbkowanych w drugim rzędzie pikseli w regionie „J”. Istnieją kodeki, które odnotowują czwartą pozycję we współczynniku, która reprezentuje próbkowanie pikseli dla kanału alfa.
Wspólne współczynniki podpróbkowania chrominancji
4:4:4
Jest to najwyższa jakość i skutecznie pozbawiona podpróbkowania. Każdy piksel jest reprezentowany i zachowuje swoje własne wartości luminancji i chrominancji. Najlepsze kamery wideo będą miały możliwość wyprowadzania barw 4:4:4. Są to profesjonalne narzędzia i są odpowiednio wycenione.
4:2:2
Próbkowanie barwy 4:2:2 pobiera dwa piksele z górnego i dolnego rzędu. Zmniejsza to informacje o chromie do 50 procent nieskompresowanej barwy źródłowej. Jest to jeden z bardziej popularnych sampli, który można znaleźć w kodekach takich jak AVC-Intra 100, Digital Betacam, Panasonic DVCPRO HD, Apple ProRes 422 i XDCAM HD422.
4:2:0
Bardziej zredukowane próbkowanie 4:2:0 pobiera dwie próbki chrominancji z górnego rzędu pikseli „a” i żadnej z dolnego rzędu „b”. Zamiast tego dolny rząd udostępnia informacje o choma z próbkowania z górnego rzędu. Zmniejsza to ogólną informację o chromie do około 25 procent nieskompresowanego chroma. Konfiguracja próbkowania 4:2:0 jest powszechna w materiałach HDV, AVCHD, Apple Intermediate Codec oraz w wielu formatach wideo zakodowanych w MPEG używanych przez lustrzanki cyfrowe.
4:1:1
Próbkowanie barwy 4:1:1 zmniejsza również ilość informacji o barwach do 25 procent. Pobiera jedną próbkę z górnego rzędu pikseli „a” i jedną próbkę z dolnego rzędu pikseli „b”. Próbkowanie 4:1:1 to współczynnik próbkowania występujący w DVCPRO, DVCAM i NTSC DV.
Co to wszystko znaczy?
Estetyczne decyzje producenta wideo są ograniczone technicznymi ograniczeniami materiału filmowego. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć podpróbkowanie chrominancji i jego wpływ na materiał filmowy. Kluczowanie chromatyczne i gradacja kolorów to dwa procesy postprodukcji, na które wpływa podpróbkowanie chromatyczne.
Materiał filmowy, który w dużej mierze opiera się na podpróbkowaniu chrominancji, da słabe wyniki podczas kluczowania kolorem. Oprogramowanie do komponowania wideo jest w stanie stworzyć przezroczystość, wybierając określony kolor lub zakres kolorów w klipie i stosując ten wybór do kanału alfa. Kanał alfa tworzy przezroczystość obrazu. Jakość informacji o kolorze na obrazie jest głównym czynnikiem przy wyciąganiu czystego klucza z materiału zielonego ekranu. Nierówne oświetlenie lub spójność kolorów utrudni tworzenie czystych obszarów przezroczystości. Podpróbkowanie chrominancji staje się widoczne na krawędziach materiału z kluczowaniem, ponieważ klucz jest oparty na współdzielonej informacji o chromacie w blokach pikseli. Materiał filmowy z podpróbkowaniem chroma równym 4:1:1 lub niższym spowoduje powstanie artefaktów o blokowych krawędziach wzdłuż krawędzi klawisza. Nawet materiał filmowy o proporcjach 4:2:2 będzie zawierał pewne artefakty blokowe. Najczystsze klawisze pochodzą z materiału filmowego o nieskompresowanych proporcjach 4:4:4.
Korekcja kolorów to proces postprodukcyjny polegający na zmianie dynamiki koloru w materiale filmowym w celu osiągnięcia celu estetycznego. Czasami gradacja kolorów jest subtelna, a zmiany nie są zauważalne. Innym razem stopnie kolorów są drastyczne, ze znacznymi zmianami koloru i zakresu dynamicznego obrazu. Gdy informacja o chromie jest zmniejszona z powodu podpróbkowania chromatycznego, dynamiczna gradacja kolorów może ujawnić cyfrowe artefakty w materiale. Jest to najczęściej widoczne w prążkach, które występują w różnych gradientach koloru. Zamiast płynnego przejścia z jednego koloru do drugiego, paski koloru pojawiają się jako stopniowane kroki między dwoma kolorami.
Powód tego jest prosty — podpróbkowanie chrominancji zmniejsza ilość informacji o kolorze między dwoma regionami obrazu. Gdy te kolory są zmieniane przez gradację kolorów, kroki kolorów między nimi — podpróbkowanie chrominancji — stają się bardziej widoczne. To tak, jakby były rozciągnięte. To kolejny powód, dla którego producenci pracujący nad projektami komercyjnymi, które wymagają intensywnych kolorów, wybierają pracę z materiałami o najwyższej jakości, na które pozwalają ich budżety.
Dostęp do wyjścia 4:4:4
Podpróbkowanie Chroma pomaga w kompresowaniu ogólnego rozmiaru plików wideo, ale te pliki mogą być trudniejsze do pracy w postprodukcji. Jest to coś, o czym należy pamiętać, gdy materiał jest używany do pracy na zielonym ekranie, efektów wizualnych i poważnej korekcji kolorów. Gdy w obrazie jest więcej informacji o kolorze, istnieje większa swoboda w zakresie tego, co można zrobić z materiałem filmowym w postprodukcji. Najlepszą opcją dla każdego nagranego i przetworzonego wideo jest posiadanie nieskompresowanego wideo z podpróbkowaniem chrominancji 4:4:4.
Problem polega na tym, że większość kamer nagrywa wewnętrznie na nośniki półprzewodnikowe, co wymaga skompresowanego wideo z podpróbkowaniem chrominancji 4:2:2 lub mniejszym. Większość kamer wideo i lustrzanek cyfrowych ma wyjście wideo, takie jak SDI lub HDMI. W zależności od przetwornika obrazu aparatu, a także jego procesora obrazu, może on mieć możliwość wyprowadzania wideo z podpróbkowaniem 4:4:4 chroma. Kiedy to wyjście wideo jest połączone z zewnętrznym urządzeniem nagrywającym lub komputerem wyposażonym w wysokiej klasy kartę do przechwytywania wideo i odpowiednie oprogramowanie, staje się potężnym narzędziem.
Jeśli kamera jest zdolna do wyprowadzania kolorowego wideo 4:4:4 i podłączone jest zewnętrzne urządzenie nagrywające zdolne do nagrywania sygnału, wynikowy materiał wideo będzie lepiej dostosowany do procesów postprodukcji. Właśnie dlatego w wielu studyjnych sesjach zdjęciowych z efektami wizualnymi, takich jak przechwytywanie zielonego ekranu, znajduje się duża kamera, która jest przywiązana do komputera. Podręcznik techniczny aparatu to najlepsze miejsce, aby dowiedzieć się, czy jest on w stanie wyprowadzić kolor 4:4:4. Fora internetowe poświęcone najlepszym kamerom wideo będą prowadzić dogłębne dyskusje na temat najlepszych sposobów przesyłania nieskompresowanego wideo.
Wiedz, co kryje się pod skórą
Producent musi znać ograniczenia techniczne swojego materiału filmowego i wiedzieć, co może z nim zrobić. Istnieje wiele sytuacji filmowania, w których korzystne jest przechwytywanie materiału filmowego, który w dużej mierze opiera się na podpróbkowaniu chrominancji w celu kompresji obrazu, zaoszczędzenia miejsca i zmniejszenia kosztów. Zdarzają się również sytuacje, w których kluczowe jest pozyskanie materiału o najwyższej możliwej rozdzielczości, materiału nieskompresowanego bez podpróbkowania chrominancji.
Podpróbkowanie Chroma jest częścią ukrytej anatomii wideo, działającej w jego ciele. Mając solidną wiedzę na temat podpróbkowania kolorów, producenci są lepiej przygotowani do ulepszania swoich filmów i uzyskiwania pożądanych wyników.
Chris „Ace” Gates jest pisarzem i producentem treści, który zdobył nagrodę Emmy.