O que é 4: 4: 4, 4: 2: 2 e 4: 2: 0 ou cor de subamostragem

É possível que em algum momento você tenha ouvido falar sobre os termos luminância e crominância, embora não tenha entendido exatamente o que esses conceitos significavam ou quais eram suas funções específicas. Os dois termos também são usados ​​quando é necessária subamostragem ou subamostragem de cores.

Quando os conjuntos de dígitos 4: 4: 4, 4: 2: 2 e 4: 2: 0 são lidos, significa que através dessas notações está sendo expressa uma fórmula de vídeo relacionada à subamostragem de croma (também chamada subamostragem de crominância).. Essas combinações de números podem ser encontradas em fotos e vídeos, por isso é necessário saber para que servem.

Antes de analisar essas anotações, deve-se considerar que tanto o conteúdo em fotos quanto os vídeos diminuem a distribuição, relacionados aos limites oferecidos pela banda larga.

Nesse cenário, e para obter maior velocidade de compactação e transferência de conteúdo audiovisual, é utilizada a subamostragem de crominância, amplamente utilizada em vários formatos de conteúdo, como discos Blu-ray e serviços de streaming.

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O que é subamostragem de croma ou subamostragem?

Subamostragem cromática (subamostragem de cores) é uma técnica pela qual as informações de cores contidas em um sinal são compactadas para favorecer as informações contidas na luminância. Dessa forma, a largura de banda é reduzida, mas sem afetar a qualidade dessa imagem compactada.

Vários anos atrás, com a introdução do vídeo digital, os vídeos pesavam muito, dificultando a transmissão e o armazenamento deles. Tentando encontrar uma solução para esses problemas de tamanho, chegou a subamostragem de crominância.

Se investigarmos a composição de todo vídeo digital, encontraremos dois componentes principais que chamamos de luminância e crominância.

O primeiro termo, que também conhecemos brilho ou contraste, abrange todas as diferenças que vemos entre as áreas mais escuras e mais claras do vídeo.

Por seu lado, a crominância é o componente da saturação de cores do vídeo. Como a visão de um ser humano tem mais sensibilidade ao contraste (luminância) do que à saturação da cor (crominância), foi decidido que havia uma parte do vídeo que poderia ser compactada sem afetar sua qualidade.

Portanto, para facilitar o gerenciamento de vídeo digital, a técnica de compactação foi implementada. Isso significa que um sinal de vídeo colorido real (4: 4: 4), no qual encontramos todas as informações de vermelho, verde e azul em cada pixel, será compactado se a subamostragem cromática for aplicada, tornando-o sua transferência é mais leve e requer menos largura de banda quando a cor já foi removida.

Uma vez compactada a imagem, a qualidade do preto e branco não será menor que a qualidade das cores, pois, como indicado, a visão humana tem menos capacidade de assimilar a crominância. Dessa forma, após a subamostragem, o vídeo terá mais luminância do que informações de crominância.

Com isso, é possível manter a qualidade da imagem e, ao mesmo tempo, reduzir significativamente o tamanho em até 50%. Em alguns formatos como o YUV, a quantidade de luminância atinge apenas um terço do total, portanto, existe uma ampla margem para reduzir a crominância e, assim, obter maior compressão.

Tendo em conta que existem certas limitações nas velocidades que constituem as grandes bandas da Internet e do HDMI, por exemplo, essa compressão permite que um vídeo digital possa ser transmitido com maior eficiência.

Os monitores CRT, LCDs e dispositivos acoplados a carga (CCDs) usam componentes para capturar as cores vermelho, verde e azul. No entanto, em um vídeo digital, é feita uma distinção entre luma e chroma apenas para poder fazer uma compactação e torná-la mais leve para transmissão.

Existem vários métodos de subamostragem de croma que usam notações diferentes que explicaremos brevemente, observando que o primeiro número é para luma e o segundo e terceiro números são para croma.

Métodos de subamostragem / subamostragem de cores

4: 4: 4

Esta é a resolução completa e original, na qual não há compressão de qualquer tipo, com o primeiro número indicando a luminância (4) e os dois números seguintes (4: 4) usados ​​para os componentes de croma Cb e Cr. 4: 4: 4 é comumente usado para imagens RGB, embora também seja usado para o espaço de cores YCbCr.

4: 2: 2

Na primeira edição, vemos uma resolução completa da luma, enquanto vemos uma meia resolução para a crominância. Essa notação é o padrão nas imagens e carrega uma compactação que não afeta a qualidade da imagem. É usado para os formatos de vídeo DVCpro50 e Betacam Digital, entre outros.

4: 1: 1

Novamente, temos um luma de resolução total, enquanto agora temos ainda menos crominância - apenas um quarto. Esse é o esquema de subamostragem usado pelos formatos NTSC DV e PAL DVCPro.

4: 2: 0

Essa notação indica que a resolução da luma está completa (4), enquanto ela tem meia resolução na direção vertical e horizontal para os componentes do croma. Na verdade 4: 2: 0 é uma amostragem de cores bastante difícil, que inclui muitas variações, considerando se o vídeo é entrelaçado ou progressivo ou se está sendo usado por MPEG2 ou PAL DV.

Com essa amostragem 4: 2: 0, você obtém uma resolução de 1/4 de cor, assim como a amostragem 4: 1: 1. No entanto, no primeiro caso, a cor é compactada horizontal e verticalmente, enquanto na segunda notação a compressão é horizontal.

Subamostragem em cores 1920 x 1080

A HDTV analógica foi seguida pela HDTV digital, uma tecnologia de maior qualidade e resolução. No entanto, também trouxe um grande desafio para os engenheiros, pois eles tiveram que criar uma forma que permitisse que essa nova tecnologia fosse usada nos sistemas presentes na época, principalmente PAL e NTSC.

Consequentemente, todos os esforços tiveram que ser direcionados para tornar possível a compatibilidade entre PAL e NTSC. O novo padrão de HDTV precisava ser compatível com PAL e NTSC, entre suas principais características.

As variações que esse padrão sofreu ao longo dos anos foram muitas, até que finalmente foi fixado em 1125 linhas verticais, com 1080 delas dedicadas exclusivamente à imagem. Naquela época, a taxa máxima para 1080 era de 29, 97 fps (NTSC), enquanto para 720 era de 59, 94 fps (NTSC).

Estes são alguns dos valores de subamostragem cromática mais usados ​​nos diferentes formatos populares de vídeo digital:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0Internet Video: 4: 2: 0 Qualidade de transmissão HDTV: 4: 2: 2 Descomprimido (informações completas): 4: 4: 4: 4

Uma subamostragem 3: 1: 1 é melhor que 4: 2: 2?

No antigo formato HDCAM de 1080p, era usada 3: 1: 1, enquanto a resolução de 720p tinha e ainda possui subamostragem 4: 2: 2. Mas qual destes foi o melhor?

Se confiarmos apenas nos dados, é uma resposta simples: 4: 2: 2 é duas vezes 3: 1: 1 em termos de amostragem de cores, para que possamos afirmar claramente que o melhor nesse caso é 4: 2: 2

No entanto, isso não pode ser uma resposta absoluta, pois o tamanho da imagem não é considerado nas notações 4 × 4 da amostra de cores.

Então, qual dessas notações é melhor? Uma imagem que contém muitas informações sobre cores ou outra com menos informações, mas com uma amostra de cor melhor? Não há uma resposta clara.

A intenção dessa análise era vermos que uma imagem tem muito mais informações e complexidade como pano de fundo do que o que é visto superficialmente.

Obviamente, sempre tendo em mente que usamos uma amostra de uma imagem em 4: 4: 4, pois essa é uma notação completa na qual a melhor frequência de amostragem é obtida.

Subamostragem 4: 4: 4 vs 4: 2: 2 vs 4: 2: 0

O número 4, que é o primeiro número da esquerda, indica o tamanho da amostra.

Quanto aos dois números que precedem isso, eles estão relacionados à informação do croma. Estes dependem do primeiro número (4) e são responsáveis ​​por definir a amostragem horizontal e vertical, respectivamente.

Uma imagem com um componente de cor 4: 4: 4: 4 não é compactada, o que significa que não foi subamostrada e, portanto, contém totalmente os dados de luminância e cor.

Analisando uma matriz de quatro por dois pixels, vemos que 4: 2: 2 contém metade do croma encontrado em um sinal 4: 4: 4, enquanto analisamos uma matriz 4: 2: 0, vemos que ela contém ainda menos: somente uma sala de informações coloridas.

A taxa de amostragem horizontal em um sinal 4: 2: 2 será apenas metade (2), enquanto a amostragem vertical estará cheia (4). Por outro lado, em um sinal 4: 2: 0, há apenas amostragem de cores na metade dos pixels na primeira linha, ignorando completamente os pixels na segunda linha do sinal.

Calculando o tamanho dos dados de subamostragem

Existe um cálculo bastante simples com o qual podemos saber exatamente quanta informação é perdida após a sub-amostragem de cores. O cálculo é o seguinte:

Como já indicamos, a qualidade máxima para uma amostra é 4 + 4 + 4 = 12

Isso significa que uma imagem em cores é 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, onde encontramos 100% de qualidade, sem nenhuma compressão. A partir deste ponto, a qualidade de uma amostra pode variar da seguinte maneira:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, que é 66, 7% de 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, que é 50% de 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, que é 50% de 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, que é 42% de 4: 4: 4 (12)

Portanto, se um sinal de cor 4: 4: 4 tiver 24 MB de tamanho, significa que um sinal de 4: 2: 2 terá cerca de 16 MB de tamanho, enquanto um sinal de 4: 2: 0 Ele terá 12 MB de tamanho e um sinal 3: 1: 1 terá 10 MB.

Com isso, já podemos entender por que a subamostragem cromática é tão importante e continua a existir. Para setores como a Internet e a televisão, é essencial, pois reduz o tamanho dos arquivos e, portanto, requer menos recursos de largura de banda.

Conclusão sobre subamostragem

Com a subamostragem cromática, podemos compactar um arquivo de imagem para reduzir seu tamanho dessa maneira. Com isso, é possível obter menos largura de banda para transmiti-la, sem perder a qualidade da imagem a olho nu. Isso significa que, após a subamostragem ou subamostragem de cores, nenhuma grande imperfeição é visualmente visível.

Atualmente, a amostra 4: 2: 0 é essencial para plataformas de conteúdo audiovisual; portanto, sem essa técnica de compactação, certamente teria sido muito mais difícil e caro acessar serviços como conteúdo 4K da Amazon e Netflix.

Fonte da Wikipedia