크로마 서브샘플링

Chroma subsampling
널리 사용되는 채도 서브샘플링 형식

크로마 서브샘플링은 루마 정보보다 채도 정보의 해상도가 낮아 이미지를 인코딩하는 방식입니다.인간의 시각 시스템은 [1]휘도보다 색차이에 대한 명도가 낮습니다.

JPEG 인코딩을 포함한 많은 비디오 및 스틸 이미지 인코딩 방식(아날로그 및 디지털)에 사용됩니다.

근거

이 이미지는 풀사이즈로 4개의 서브샘플링 방식의 차이를 나타내고 있습니다.색상의 이미지가 얼마나 유사한지 주의해 주세요.아래쪽 행은 색상 정보의 해상도를 나타냅니다.

디지털 신호는 파일 크기를 줄이고 전송 시간을 절약하기 위해 압축되는 경우가 많습니다.인간의 시각 시스템은 색상보다 휘도 변화에 훨씬 더 민감하기 때문에 색차 성분 Cb, Cr보다 루마 성분(통상 Y'로 표기)에 더 많은 대역폭을 할당함으로써 비디오 시스템을 최적화할 수 있다.예를 들어 압축 이미지에서 4:2:2 Y'CbCr 스킴은 서브샘플링되지 않은 "4:4:4" R'G'B'의 3분의 2 대역폭을 필요로 합니다.이러한 감소는 시청자가 인식하는 시각적 차이를 거의 유발하지 않습니다.

서브샘플링 구조

통상적인 가시거리에서는, 낮은 속도(즉, 낮은 분해능)로 색상세부를 샘플링 하는 것에 의해서 발생하는 눈에 띄는 손실이 없다.비디오 시스템에서는 색차 컴포넌트를 사용하여 이를 실현합니다.신호는 Luma(Y') 성분과 2개의 색차 성분(크로마)으로 나뉩니다.다양한 필터링 방법을 사용하여 분해능 저하 채도 값을 [2]얻을 수 있습니다.

루마(Y')와 휘도(Y')는 그 계산에서 감마 보정의 존재에 의해 미분되므로 여기에 추가되는 프라임 심볼이다.감마 보정 신호는 밝은 수준보다 어두운 수준에 더 많은 수준이 할당되어 인간 시력의 로그 민감도를 에뮬레이트할 수 있는 장점이 있다.그 결과, 소스 삼자극 신호인 R'G'B' 입력에 널리 이용된다.이러한 색공간의 예로는 sRGB, TV Rec. 601, Rec. 709 및 Rec. 2020 등이 있으며, 2020년 [2][3][4]12월 광전송 함수로도 일반화되어 있다.

샘플링 시스템 및 비율

서브샘플링 방식은 일반적으로 3부분 비율 J:a:b(예: 4:2:2) 또는 4부분(예: 4:2:4)으로 표현되며, 이는 J픽셀 폭과 2픽셀 높은 개념 영역에서 휘도 및 색도 샘플의 수를 나타낸다.부품은 (각각의 순서로) 다음과 같습니다.

  • J: 수평 샘플링 기준(개념 영역의 폭)보통 4개.
  • a: J픽셀의 첫 번째 행에 있는 색도 샘플 수(Cr, Cb).
  • b: J픽셀의 첫 번째 행과 두 번째 행 사이의 색도 샘플(Cr, Cb)의 변화 횟수.b는 a와 같거나 0이어야 합니다(4:4:1 및 4:2:1과 같이 드물게 불규칙한 경우는 제외).
  • 알파: 수평 요인(첫 번째 자릿수를 기준으로 함).알파 성분이 없는 경우 생략할 수 있으며, 있는 경우 J와 같습니다.

이 표기법은 모든 조합에 대해 유효하지 않으며, 예를 들어 4:1:0(영역의 높이가 2픽셀이 아니라 4픽셀이므로 컴포넌트당8비트를 사용하면 미디어는 픽셀당9비트가 됩니다) 및 4:2:1 등 예외가 있습니다.


4:1:1 4:2:0 4:2:2 4:4:0 4:4:4
Y'CrCb
= = = = =
Y'
+ + + + +
1 2 3 4 J = 4 1 2 3 4 J = 4 1 2 3 4 J = 4 1 2 3 4 J = 4 1 2 3 4 J = 4
(Cr, Cb) 1 a = 1 1 2 a = 2 1 2 a = 2 1 2 3 4 a = 4 1 2 3 4 a = 4
1 b = 1 b = 0 1 2 b = 2 b = 0 1 2 3 4 b = 4
§ 수평 해상도,
완전 수직 분해능		 § 수평 해상도,
§ 수직 해상도		 § 수평 해상도,
완전 수직 분해능		 풀 수평 해상도,
§ 수직 해상도		 풀 수평 해상도,
완전 수직 분해능

제시된 매핑 예는 이론적인 것일 뿐이며 설명을 위한 것입니다.또, 이 그림에는 채도 필터링이 표시되어 있지 않기 때문에, 에일리어스를 회피하기 위해서 적용할 필요가 있습니다.

4:4:4(또는 4:4:4)에 대해 필요한 대역폭 계수를 계산하려면 모든 계수를 합산하여 결과를 12(알파가 존재하는 경우 16)로 나누어야 합니다.

샘플링 및 서브샘플링의 종류

4:4:4

3개의 Y'CbCr 컴포넌트는 각각 동일한 샘플링 속도를 가지므로 크로마 서브샘플링은 없습니다.이 스킴은 때때로 고급 필름 스캐너나 영화 후반 제작에 사용됩니다.

대신에, 「4:4:4」는, R'G'B'의 색공간을 잘못 참조하고 있을 가능성이 있습니다.이 색공간은, 암묵적으로 채도 서브샘플링이 없습니다(JPEG R'G'B'는 서브샘플링 할 수 있습니다).HDCAM SR 등의 포맷은 듀얼링크 HD-SDI를 통해 4:4:4 R'G'B'를 기록할 수 있습니다.

4:2:2

2개의 채도 성분은 Luma 수평 샘플링 속도의 절반으로 샘플링됩니다. 즉, 수평 채도 분해능이 절반으로 줄어듭니다.이것에 의해, 비압축 비디오 신호의 대역폭이 1/3감소됩니다.즉, 컴포넌트당 8비트(픽셀당 24비트)가 없는 경우, NV16과 같이 16비트만으로 충분합니다.

많은 하이엔드 디지털비디오 형식 및 인터페이스에서는 다음 방식을 사용합니다.

4:2:1

이 샘플링 모드는 J:a:b 표기로 표현할 수 없습니다."4:2:1"은 이전 알림 방식에서 사용되지 않는 용어이며, 이를 사용하는 소프트웨어 또는 하드웨어 코덱은 거의 없습니다.Cb 수평 분해능은 Cr의 절반(및 Y 수평 분해능의 1/4)입니다.

4:1:1

4:1:1 크로마 서브샘플링에서는 수평색 해상도를 4등분하여 크로마 서브샘플링이 없는 경우에 비해 대역폭을 절반으로 줄인다.당초 DV 포맷의 4:1:1 크로마 서브샘플링은 브로드캐스트 품질로 간주되지 않았으며 로우엔드 [5][6]및 컨슈머 어플리케이션에서만 허용되었습니다.단, DV 기반의 포맷(4:1:1 크로마 서브샘플링 사용)은 전자 뉴스 수집 및 플레이아웃 서버에서 전문적으로 사용되고 있습니다.DV는 장편 영화나 디지털 촬영에도 가끔 사용되고 있습니다.

NTSC 시스템에서 Luma가 13.5MHz로 샘플링되면 Cr 및 Cb 신호는 각각 3.375MHz로 샘플링되며 이는 최대 나이키스트 대역폭 1.6875MHz에 해당합니다. 반면 기존의 "하이엔드 브로드캐스트 아날로그 NTSC 인코더"는 대역폭이 1.5MHz입니다.단, 대부분의 기기(특히 저렴한 TV 수상기와 VHS/Betamax VCR)에서 채도 채널은 Cr과 Cb(또는 I/Q의 경우 동등)에 대해 0.5MHz 대역폭밖에 없습니다.따라서 DV 시스템은 디지털 신호의 채도 대역폭의 4분의 1에 불과하지만 실제로는 NTSC에 최적인 복합 아날로그 사양에 비해 우수한 색 대역폭을 제공합니다.

4:1:1 크로마 서브샘플링을 사용하는 형식은 다음과 같습니다.

4:2:0

4:2:0에서는 수평 샘플링이 4:1:1에 비해 2배 증가하지만 이 방식에서는 Cb 및 Cr 채널이 각 대체 라인에서만 샘플링되므로 수직 분해능이 절반으로 감소합니다.따라서 데이터 속도는 동일합니다.이것은 NTSC의 수직 크로미넌스 해상도의 절반밖에 되지 않기 때문에 PAL 컬러 부호화 시스템에 적합합니다.SECAM 컬러 부호화 시스템에도 매우 적합합니다.이 포맷과 마찬가지로 4:2:0은 각 회선에1개의 컬러 채널만 저장 및 전송하기 때문입니다(다른 채널은 이전 회선에서 복구됩니다).그러나 실제로 SECAM 아날로그 비디오 신호를 출력하는 기기는 거의 생산되지 않았습니다.일반적으로 SECAM 영역에서는 PAL 지원 디스플레이 또는 트랜스코더를 사용하여 PAL 신호를 SECAM으로 변환해야 합니다.

4:2:0 채도의 다양한 구성은 다음과 같습니다.

Cb와 Cr은 각각 수평과 수직 모두 2의 계수로 서브샘플링됩니다.

4:2:0 방식에는 수평 및 수직 [9]시팅이 다른 세 가지 종류가 있습니다.

  • MPEG-2에서는 MPEG-4 및 AVC Cb 및 Cr이 수평으로 큐레이션된다.Cb 및 Cr은 수직 방향의 픽셀 사이에 배치됩니다(간격으로 배치).
  • JPEG/JFIF, H.261 및 MPEG-1에서는 Cb와 Cr은 대체 Luma 샘플의 중간인 중간 지점에 배치되어 있습니다.
  • 4:2:0 DV에서는 Cb와 Cr이 수평방향으로 공존한다.수직방향에서는 교대로 선상에 배치되어 있습니다.이것은, BT.2020 및 BT.2100 컨텐츠(특히 Blu-ray)의 HEVC에서도 사용되고 있습니다.왼쪽 위라고도 합니다.

PAL에 대응하는 대부분의 디지털비디오 포맷은 4:1:1 크로마 서브샘플링을 사용하는 DVCPRO25를 제외하고 4:2:0 크로마 서브샘플링을 사용합니다.4:1:1 및 4:2:0 방식 모두 채도 서브샘플링이 없는 경우에 비해 대역폭을 절반으로 줄입니다.

인터레이스 재료의 경우 4:2:0 크로마 서브샘플링을 프로그레시브 재료와 동일한 방법으로 구현하면 모션 아티팩트가 발생할 수 있습니다.Luma 샘플은 별도의 시간 간격에서 도출되며 채도 샘플은 두 시간 간격에서 도출됩니다.모션 아티팩트가 발생할 수 있는 것은 이 차이입니다.MPEG-2 규격에서는 대체 인터레이스 샘플링 방식을 사용할 수 있습니다.여기서 4:2:0은 각 필드에 적용됩니다(두 필드를 동시에 적용할 수 없습니다).이렇게 하면 모션 아티팩트의 문제가 해결되고 수직 채도 분해능이 절반으로 줄어들며 이미지에 빗살 모양의 아티팩트가 발생할 수 있습니다.

444-original-single-field.png
원래의.이 이미지에는 단일 필드가 표시됩니다.움직이는 텍스트에 모션 블러(motion blur)가 적용되어 있습니다.

420-progressive-single-field.png
4:2:0 프로그레시브 샘플링을 이동 인터레이스 재료에 적용.채도는 이동 텍스트의 선두와 선두에 있습니다.이 이미지에는 단일 필드가 표시됩니다.

420-interlaced-single-field.png
4:2:0 인터레이스된 샘플링을 이동 인터레이스된 재료에 적용.이 이미지에는 단일 필드가 표시됩니다.

단, 4:2:0 인터레이스 방식에서는 채도 샘플이 2×2가 아닌 4샘플 높이의 영역 2샘플을 효과적으로 기술하기 때문에 채도의 수직 분해능이 약 반감된다.또한 두 필드 사이의 공간적 변위는 빗과 같은 채도 아티팩트가 나타날 수 있습니다.

420-original444.png
원본 정지화면

420-progressive-still.png
4:2:0 프로그레시브 샘플링을 정지화면에 적용합니다.양쪽 필드가 표시됩니다.

420-interlaced-still.png
4:2:0 인터레이스 샘플링을 정지화면에 적용합니다.양쪽 필드가 표시됩니다.

인터레이스 재료를 디인터레이스 할 경우, 크로마를 수직으로 [10]흐리게 함으로써 빗 모양의 크로마 아티팩트(4:2:0 인터레이스 샘플링으로부터)를 제거할 수 있다.

4:1:0

이 비율은 가능합니다.일부 코덱은 이 비율을 지원하지만 널리 사용되고 있지는 않습니다.이 비율은 수직 색 해상도의 절반과 수평 색 해상도의 1/4을 사용하며, 사용되는 최대 색 해상도의 8분의 1 대역폭만 사용합니다.8비트 양자화 방식의 이 형식의 비압축 비디오는 매크로픽셀당 10바이트(4×2픽셀) 또는 픽셀당 10비트를 사용합니다.지연선 디코더로 디코딩된 PAL I 신호와 동등한 크로미넌스 대역폭을 가지며 NTSC보다 훨씬 우수합니다.

  • 일부 비디오 코덱은 VHS의 품질과 같은 것을 가능하게 하기 위해 옵션으로 4:1:0.5 또는 4:1:0.25로 동작할 수 있습니다.

3:1:1

Sony가 HDCAM 하이 디피니션 레코더(HDCAM SR이 아님)에 사용합니다.수평 차원에서는 Luma가 풀 HD 샘플링 속도의 3/4로 수평으로 샘플링됩니다. 즉, 행당 샘플 수는 1920개가 아니라 1440개입니다.크로마는 luma 샘플링 속도의 1/3인 행당 480개의 샘플로 샘플링됩니다.

수직 치수에서는, Luma 와 chroma 의 양쪽 모두를 풀 HD 샘플링 레이트로 샘플링 한다(수직 1080 샘플).

아티팩트

컬러 서브샘플링을 사용하지 않는 원본 이미지.200% 줌
컬러 서브샘플링 후의 이미지(Sony Vegas DV 코덱, 박스필터링)
테두리 근처의 가벼운 출혈에 주목하십시오.

크로마 서브샘플링은 두 가지 주요 유형의 아티팩트로 인해 색상이 갑자기 변경되는 경우 의도한 것보다 더 현저하게 저하됩니다.

감마 오차

상세정보 : 감마보정 scaling 스케일링 및 블렌딩

Y'CbCr과 같은 감마 보정 신호는 채도 오류가 Luma로 "블링"되는 문제가 있습니다.이러한 신호에서 채도가 낮으면 실제로 동등한 루마가 있는 색보다 색이 덜 밝아 보입니다.그 결과 포화색이 불포화색 또는 보색에 혼합되면 테두리에서 휘도 손실이 발생한다.이는 마젠타와 [2]녹색 사이의 예에서 확인할 수 있습니다.원본과 더 유사한 일련의 하위 표본 값에 도달하려면 감마 보정을 취소하고 계산을 수행한 다음 감마 보정된 공간으로 다시 들어가야 한다.WebP 및 sjpeg의 "Sharp YUV" [11]기능에서 luma 가중 평균을 사용하거나 반복적으로 룩업 테이블을 사용하는 등 보다 효율적인 근사치도 가능합니다.

색역을 벗어난 색상

채도 서브샘플링으로 발생할 수 있는 또 다른 아티팩트는 채도 재구축 시 가뮤트를 벗어난 색상이 발생할 수 있다는 것입니다.이미지가 1픽셀의 빨간색과 검은색 선을 번갈아 나타내며 하위샘플링에서 검은색 픽셀의 채도를 생략했다고 가정합니다.빨간색 픽셀의 채도가 검은색 픽셀로 재구성되어 새 픽셀의 빨간색과 녹색 및 파란색 값이 양수입니다.디스플레이는 음의 빛을 출력할 수 없기 때문에(음의 빛은 존재하지 않기 때문에) 이러한 음의 값은 사실상 잘리고 결과적으로 발생하는 Luma 값은 너무 [2]높아집니다.상당히 날카로운 적색/검은색 경계 부근의 덜 인위적인 그라데이션 예에서도 유사한 아티팩트가 발생한다.

서브샘플링 중에 다른 유형의 필터링을 실시해도 색상이 영역 밖으로 나갈 수 있습니다.

용어.

Y'라는 용어UV는 아날로그 TV 인코딩 방식(ITU-R Rec. BT.470)을 나타내며 Y'CbCr은 디지털 인코딩 [3]방식을 나타냅니다.두 가지 차이점 중 하나는 채도 성분(U, V, Cb 및 Cr)의 스케일 팩터가 다르다는 것입니다.단, YUV라는 용어는 Y'CbCr 인코딩을 가리키는 데 잘못 사용되는 경우가 많습니다.따라서 아날로그 부호화(YUV 등)에는 4:x:x가 존재하지 않기 때문에 "4:2:2 YUV"와 같은 표현은 항상 4:2:2 Y'CbCr을 나타냅니다.Y'CbCr에서 사용되는 픽셀 형식은 yuv420p, yuvj420p 등 YUV라고도 불립니다.

마찬가지로 휘도라는 용어와 기호 Y가 잘못 사용되어 기호 Y'로 나타나는 루마를 가리키는 경우가 많다.비디오 엔지니어링의 Luma(Y')는 색상 과학의 휘도(Y)에서 벗어납니다(CIE에서 정의).루마는 감마 보정(삼자극) RGB 성분의 가중치 합계로 형성된다.휘도는 선형(삼자극) RGB 성분의 가중치 합계로 형성된다.

실제로 CIE 기호 Y는 루마를 나타내기 위해 잘못 사용되는 경우가 많습니다.1993년 SMPTE는 Engineering Guideline EG 28을 채택하여 두 가지 용어를 명확히 했습니다.감마 보정을 나타내기 위해 소수 기호 '가 사용된다는 점에 유의하십시오.

비슷하게, 비디오 공학의 채도는 색 과학의 채도와 다릅니다.비디오 엔지니어링의 채도는 선형 구성요소가 아닌 가중 삼자극 구성요소(감마 보정, OETF)로 형성됩니다.비디오 엔지니어링 프랙티스에서는 채도, 채도 및 채도라는 용어는 종종 크로미넌스를 나타내기 위해 서로 바꿔서 사용되지만 ITU-T Rec H.273에서 말하는 것처럼 좋은 프랙티스는 아닙니다.

역사

크로마 서브샘플링은 1950년대에 Alda Bedford에 의해 컬러 텔레비전의 개발을 위해 개발되었으며, RCA는 NTSC 표준으로 발전하였다.루마-크로마 분리는 1938년에 Georges Valensi에 의해 개발되었다.연구를 통해[which?] 그는 인간의 눈은 흑백에만 높은 해상도를 가지고 있으며 노란색과 녹색과 [clarification needed]같은 "중급" 색상은 다소 덜하고 스펙트럼 끝의 색상은 훨씬 덜하다는 것을 보여주었다.지식을 바탕으로 RCA는 대부분의 파란색 신호를 카메라에서 가져온 후 폐기하는 시스템을 개발할 수 있었습니다.이것은 YIQ 색공간에서의 채도 서브샘플링이며, Luma, 노란색/녹색, 빨간색/파란색의 분해능이 떨어진다는 점에서 대략 4:2:1 서브샘플링과 유사합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ S. Winkler, C. J. van den Branden Lambrecht, and M. Kunt (2001). "Vision and Video: Models and Applications". In Christian J. van den Branden Lambrecht (ed.). Vision models and applications to image and video processing. Springer. p. 209. ISBN 978-0-7923-7422-0.{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  2. ^ a b c d Chan, Glenn (May 2008). "Toward Better Chroma Subsampling: Recipient of the 2007 SMPTE Student Paper Award". SMPTE Motion Imaging Journal. 117 (4): 39–45. doi:10.5594/J15100.
  3. ^ a b 핀튼, 찰스"YUV 및 휘도는 유해하다고 간주됩니다. 비디오의 정확한 용어를 요구합니다."
  4. ^ 4K 비디오가 1080p 화면에 더 잘 보이는 이유– 더 데일리 노트 (채도 서브샘플링을 설명하는 그래픽스 포함.
  5. ^ Jennings, Roger; Bertel Schmitt (1997). "DV vs. Betacam SP". DV Central. Archived from the original on 2008-07-02. Retrieved 2008-08-29.
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  7. ^ Clint DeBoer (2008-04-16). "HDMI Enhanced Black Levels, xvYCC and RGB". Audioholics. Retrieved 2013-06-02.
  8. ^ "Digital Color Coding" (PDF). Telairity. Archived from the original (PDF) on 2014-01-07. Retrieved 2013-06-02.
  9. ^ Poynton, Charles (2008). "Chroma Subsampling Notation" (PDF). Poynton.com. Retrieved 2008-10-01.
  10. ^ Munsil, Don; Stacey Spears (2003). "DVD Player Benchmark – Chroma Upsampling Error". Secrets of Home Theater and High Fidelity. Archived from the original on 2008-06-06. Retrieved 2008-08-29.
  11. ^ "Gamma-correct chroma subsampling · Issue #193 · mozilla/mozjpeg". GitHub.

외부 링크