Próbkowanie chrominancji, czyli kilka słów o kompresji kolorów

Percepcja barw oraz jasności

Fakt, że możesz swobodnie przeczytać ten tekst, uwarunkowany jest między innymi wzorową pracą fotoreceptorów siatkówki Twojego oka, czyli czopków i pręcików. Te bardzo liczne światłoczułe komórki odpowiadają przede wszystkim za możliwość postrzegania barw – dzięki pracy około 4,5 miliona czopków – oraz pozwalają na rejestrację dokładnej zmiany stopnia jasności (luminancji) – z kolei za ten proces odpowiedzialnych jest zdumiewająca liczba 90 milionów pręcików.

Na podstawie tych kilku informacji już zapewne zrozumiałeś, że z fizjologicznego punktu widzenia – „wzrokowo" – jesteśmy bardziej wyczuleni na zmianę jasności naszego otoczenia, trudniej natomiast dostrzec nam różnice w barwnych niuansach. Jednak nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło – tę swoistą niedoskonałość ludzkiego aparatu percepcyjnego wykorzystały na swoje potrzeby mądre głowy zajmujące się inżynierią przesyłu obrazu cyfrowego. 

Nasza ograniczona wrażliwość na zmianę barw, uwarunkowana budową ludzkiego oka, przyczyniła się do stworzenia systemu przesyłu cyfrowych informacji o obrazie, która przede wszystkim opiera się na kompresji barwnej – czyli ograniczeniu cyfrowej informacji o kolorze, kryjąca się pod tajemniczo wyglądającymi ciągami liczb 4:4:4, 4:2:2 oraz 4:2:0 – co one dokładnie oznaczają ? Już wyjaśniamy!

Chroma subsampling

Słowo „próbkowanie" ściśle związane jest ze stopniową redukcją informacji o kolorze w cyfrowym procesie zapisu obrazu filmowego. Skompresowane dane muszą jednak sprawiać wrażenie wciąż satysfakcjonująco jakościowego obrazu dla potencjalnego widza – wiemy już jednak, że nie jesteśmy mistrzami w percypowaniu koloru, a z tego powodu ciężko jednoznacznie stwierdzić nam, czy rzeczywiście obraz, na który patrzymy, został pozbawiony jakiegoś konkretnego zakresu barw.

W jaki sposób inżynierowie nas oszukują? Cyfrowe dane, początkowo zapisywane na sensorach kamer i aparatów oraz w późniejszym czasie wyświetlane na innych urządzeniach, zbudowane są z kolorowych pikseli RGB – a więc obrazy, na które patrzymy, powstają w wyniku nieustannego procesu mieszania się tych „cyfrowych pigmentów". Jednakże żaden człowiek nie jest w stanie obiektywnie spostrzec, że w którymś z reprezentowanych obrazów znajduje się mniej lub więcej kolorowych pikseli – i na tym właśnie polega cała filozofia próbkowania koloru.

Cały system oparty jest na ciągu trzech liczb, a każda pojedyncza liczba zawiera w sobie inny rodzaj informacji podporządkowany konkretnym danym cyfrowym. Dla przykładu posłużmy się zapisem systemu (struktury) 4:4:4.

Liczba pierwsza – 4 – informuje nas o tym, czy każdy piksel naszego obrazu cyfrowego, zawiera w sobie informacje o jasności. Liczba druga – również 4 – informuje nas z kolei o tym, czy każdy piksel w linii (poziomej) zawiera w sobie informacje o kolorze. Liczba trzecia – tutaj ponownie 4 – odnosi się do tego, czy każda linia w strukturze uwzględnia informacje o kolorze. 

Jesteście ciekawi bardziej szczegółowej analizy ciągów liczbowych? Poniżej przygotowaliśmy dla Was ich bardziej rozbudowane opisy.

Systemy 4:4:4, 4:2:2 oraz 4:2:0

Próbkowanie 4:4:4 zapewnia bardzo wysoką jakość obrazu, ponieważ umożliwia najwierniejsze odwzorowanie kolorów. Cyfrowy obraz zapisany w tym konkretnym systemie nie jest poddany kompresji, dlatego zazwyczaj jego rozmiar jest bardzo duży i wymaga dużej przepustowości. Z czego to wynika?

Jak już wiemy, liczba pierwsza – 4 – oznacza, że w tej strukturze każdy piksel posiada w sobie informacje o jasności. Pierwsza liczba systemu jest także nazywana próbką jasności (luminancji), do której odnosimy pozostałe wartości w ciągu. Liczba druga – również 4 – oznacza, że dokładnie każdy piksel w linii tej konkretnej struktury posiada informacje o kolorze. Liczba trzecia – ponownie 4 – oznacza, że także każda linia posiada informacje o kolorze. 

Poniżej prezentujemy graficzną strukturę liniowego układu próbkowania dla systemu 4:4:4 – w każdej z 4 poziomych linii każdy piksel zawiera w sobie zarówno informacje o luminancji, jak i o kolorze (chromie), a tym samym każda linia posiada w sobie informacje o kolorze. 

Próbkowanie 4:2:2, jak już pewnie się domyślasz, jest strukturą trochę bardziej skompresowaną. Liczba pierwsza pozostaje bez zmian, zmieniają się jednak dwie kolejne wartości. Liczba druga – w tej sytuacji 2 – oznacza, że tylko co drugi piksel w linii posiada informacje o kolorze. Liczba trzecia – również 2 – nadal jednak oznacza, że każda linia w strukturze (zorientowanej poziomo) posiada informacje o kolorze. 

W przypadku próbkowania 4:2:0 sytuacja wygląda jeszcze inaczej – liczba pierwsza pozostaje bez zmian, podobnie druga, jednakże liczba trzecia przyjmuje wartość zerową, co oznacza, że tylko co druga linia posiada informacje o kolorze. Poniżej możecie zobaczyć grafikę nawiązującą do tego rodzaju kompresji w strukturze. Jest to oczywiście najbardziej dotkliwa redukcja koloru spośród trzech zaprezentowanych przez nas systemów kompresji barwnej. 

W jakich momentach powinniśmy skorzystać z najbardziej jakościowego próbkowania chrominancji? Oczywiście wtedy, gdy w planach mamy zaawansowaną postprodukcję obrazu filmowego – w tym uwzględniającą pracę z greenscreenem. Skomplikowane zabiegi kluczowania obrazu wymagają od nas jak najbogatszego zapisu danych – wówczas dużo łatwiej pracować z dużo większą precyzją i dokładnie wskazać algorytmom odpowiedzialnym za proces kluczowania obrazu, w którym miejscu kończą się piksele naszej postaci, którą chcemy wzorowo wyciąć z tła. 

Podsumowując – kompresja barw jest niezbędna, aby usprawnić proces przesyłania oraz zapisywania sygnału cyfrowego, co skutkuje między innymi oszczędzaniem miejsca na naszych kartach pamięci oraz mniejszym obciążeniem znajdujących się w kamerach procesorów. Trzeba także podkreślić, że zredukowana informacja o kolorze nie wpływa na zmniejszenie się satysfakcji wizualnej statystycznego widza – z tego powodu znaczna kompresja barw (4:2:0) jest bardzo powszechnym zabiegiem wykorzystywanym na potrzeby wyświetlania informacji w internecie czy też w telewizji. 

Na rynku znajdziemy obecnie bardzo wiele przykładów producentów, którzy umożliwiają swoim użytkownikom profesjonalną pracę z próbkowaniem 4:2:2. Taką opcję zapisu obrazu znajdziemy między innymi w takich modelach jak Sony A7 IV, Fujifilm X-H2S czy też w Lumixie S5 II. 

Jeśli interesują Cię także inne tematy dotyczące aspektu barwy w procesie fotografowania oraz rejestrowania materiałów filmowych, to zachęcamy Cię do zapoznania się z naszymi wpisami dotyczącymi przestrzeni barw oraz gamutu, kwestii głębi bitowej oraz z artykułem dotyczącym tablic referencyjnych.