2.4.3. Форматы сэмплирования YCbCr

На рис. 2.11 показаны три образца сэмплирования для компонент Y, Сb и Сr, которые поддерживаются стандартами MPEG-4 Visual и Н.264. Формат 4:4:4 подразумевает, что все три компоненты (Y, Сb и Сr) имеют одинаковое разрешение и, следовательно, сэмплы всех компонентов присутствуют в каждом пикселе. Число в пропорции означает относительную долю каждой компоненты при сэмплировании в горизонтальном направлении, т.е. для каждой из четырех компонент яркости отбирается по четыре хроматической компоненты. Сэмплирование по формату 4:4:4 означает полную точность в передаче хроматических компонент. При сэмплировании по формуле 4:2:2 (этот формат иногда обозначается YUY2) хроматические компоненты по вертикали имеют одинаковое разрешение с яркостью, а по горизонтали они имеют половину от разрешения яркости (числа 4:2:2 означают, что на каждые четыре сэмпла яркости Y по горизонтали отбирается только две компоненты Сb и две компоненты Сr). Формат 4:2:2 используется для высококачественного цветного видео.

В популярном формате сэмплирования 4:2:0 (YV12) каждая компонента Сb и Сr имеет и по вертикали и по горизонтали половину разрешения по сравнению с Y. Пропорция 4:2:0 выглядит несколько странной, поскольку эти числа не имеют обычной интерпретации, а само это выражении просто является данью исторической традиции, когда под этим «кодом» подразумевался именно этот формат сэмплирования, который отличается от форматов 4:4:4 и 4:2:2. Цветное сэмплирование 4:2:0 широко используется во многих потребительских приложениях, таких как видеоконференции, цифровое телевидение и диски DVD. Поскольку хроматические компоненты отбираются в четыре раза реже компонент яркости, то пространство 4:2:0 YCbCr требует в два раза меньше сэмплов по сравнению с форматом видео 4:4:4 (или R:G:B).

Рис. 2.11. Форматы 4:2:0, 4:2:2 и 4:4:4 (прогрессивное сэмплирование).

Пример Разрешение изображения: 720 х 576 пикселов. Разрешение для Y: 720 х 576 сэмплов по 8 бит на каждый. 4:4:4 разрешение Сb и Сr: 720 х 576 сэмплов по 8 бит на каждый. Общее число битов: 720 х 576 х 8 х 3 = 9953 280 бит. 4:2:0 разрешение Сb и Сr: 360 х 288 сэмплов по 8 бит на каждый. Общее число битов: (720 х 576 х 8) + (360 х 288 х 8 х 2) = 4 976640 бит. Для формата 4:2:0 требуется в два раза меньше бит, чем для 4:4:4.

Формат сэмплирования 4:2:0 иногда называют «12 бит на пиксел». Чтобы понять такое наименование, достаточно рассмотреть группу из четырех пикселов (см. участки, обведенные пунктирными линиями, на рис. 2.11). При сэмплировании 4:4:4 требуется ровно 12 сэмплов для Y, Сb и Сr, т.е. 12 х 8 = 96 бит информации; в среднем 96/4 = 24 бит на пиксел. А при использовании формата 4:2:0 будет необходимо лишь шесть сэмплов: четыре для Y и по одному для Сb и Сr, т.е. 6 х 8 = 48 бит информации; в среднем 48/4 = 12 бит на пиксел.

Рис. 2.12. Распределение сэмплов 4:2:0 между верхним и нижним кадрами.

При чересстрочном сэмплировании по формату 4:2:0 компоненты Y, Сb и Сr полного видеокадра распределяются по двум полукадрам. На рис. 2.12 показан метод распределения сэмплов Y, Сb и Сr на пары чересстрочных полукадров, применяемый в стандартах MPEG-4 Visual и Н.264. Из этого рисунка ясно, что общее число сэмплов для двух полукадров равно числу сэмплов для полных кадров при прогрессивном сэмплировании.