Chroma-subsampling omvat het comprimeren van kleurinformatie in videobeelden om de totale opslaggrootte en bitsnelheid van videobestanden te verminderen. Het is een methode die in meerdere videocodecs wordt gebruikt, en hoeveel compressie er plaatsvindt, wordt vaak uitgedrukt als een reeks getallen zoals 4:2:2. In plaats van je nummersoep te serveren, laten we je uitleggen wat het betekent. Of het nu 4:4:4 of 4:2:0 is, deze specificatie kan een grote impact hebben op een video, vooral tijdens de postproductie.
Pixels:de videobouwstenen
Om chroma-subsampling te begrijpen, is het belangrijk om te begrijpen hoe een afbeelding in een videoframe wordt gemaakt. In de eenvoudigste bewoordingen bestaat een videobeeld uit pixels - afzonderlijke punten die in rijen over het scherm zijn uitgelijnd. Elke pixel heeft een specifieke luminantie en chrominantie, beide bepaald door de gegevens die die pixel definiëren. Luminantie verwijst naar hoe helder een pixel is, het zorgt voor contrast en detail in het algehele beeld. Als de luminantie-informatie wordt geïsoleerd, zonder de chroma-informatie, is het resulterende beeld in zwart-wit. Technisch gezien zou het grijswaarden zijn, omdat er variabele contrastdiepten zijn tussen puur zwart en puur wit.
Chrominantie is de kleurinformatie van een pixel, het bepaalt of een pixel rood, groen, blauw of ergens daar tussenin is. Er zijn verschillende kleurruimten waarmee kleur wordt weergegeven, ongeacht welke, de basismethode voor chroma-subsampling is hetzelfde. Terwijl luminantie een zwart-witbeeld kan weergeven wanneer geïsoleerd, wordt chrominantie zwart weergegeven wanneer geïsoleerd. Het is afhankelijk van de luminantie om een afbeelding te creëren. De chrominantie is de data die de kleur definieert, en hoeveel van die kleur wordt weergegeven in elke pixel. Chroma-subsampling is een reductie van kleurinformatie. Dit wordt bereikt door het delen van gegevens voor één pixel over een steekproef van meerdere pixels, minder dan de pixels waaruit de hele afbeelding bestaat.
Het menselijk oog
Chroma-subsampling is effectief en succesvol, niet alleen vanwege de anatomie van de video, maar ook vanwege het menselijk oog en hoe het kleur ziet en afbeeldingen interpreteert. Het menselijk oog is een opmerkelijk onderdeel van het centrale zenuwstelsel. Het is in staat om licht te vangen en te focussen op zijn fotoreceptoren en de gegevens van die visuele input aan de hersenen te leveren. Fotoreceptoren zijn de cellen die de achterkant van het oog in het netvlies bekleden, waar het licht wordt gefocust. Er zijn twee basistypen fotoreceptorcellen:staafjes en kegeltjes. Staafjes zijn zeer gevoelig voor licht en zijn achromatisch, wat betekent dat ze geen kleur zien. De kegels zijn minder gevoelig voor licht, maar zijn chromatisch, in staat om kleur waar te nemen.
Er zijn 100 of meer miljoenen fotoreceptorcellen, en minder dan 20 procent daarvan zijn kegeltjes in vergelijking met staafjes. Dit is de reden waarom het menselijk oog gevoeliger is voor de luminantie, het helderheids- en contrastgedeelte van een afbeelding en minder gevoelig voor de chroma, kleurinformatie van een afbeelding. Wanneer de luminantie- en chrominantiegedeelten worden gecombineerd om het algehele beeld te creëren, is een verslechterde of gecomprimeerde hoeveelheid chroma-informatie niet erg merkbaar. Het menselijk oog ziet het totale beeld, waarbij de scherpte van dat beeld wordt bepaald door de luminantie- en chrominantie-informatie die erin is verwerkt. Het feit dat er minder gedetailleerde informatie in de chrominantie zit, wordt door het oog over het hoofd gezien en het volledige beeld wordt waargenomen.
Hoe werkt chroma-subsampling?
Om chroma-subsampling te laten werken en de gegevensgrootte van een afbeelding te verkleinen, hebben ingenieurs een manier bedacht om chroma-informatie over een reeks pixels te delen, terwijl een andere hoeveelheid luminantie-informatie voor hetzelfde bereik van pixels behouden blijft. De selectie van informatie uit een deel van een afbeelding staat bekend als bemonstering. Subsampling is de selectie van specifieke pixels, maar niet elke pixel, om de chroma-informatie te bepalen die wordt gebruikt als representatief voor alle pixels. Subsampling is een deel of fractie van de algehele chrominantiesampling in een afbeelding.
Chroma-subsampling wordt uitgedrukt als een numerieke formule die de verhouding van pixels weergeeft die in de subsampling van die clip worden gebruikt. Deze verhouding wordt weergegeven door drie getallen, gescheiden door dubbele punten. Uitgeschreven verschijnt het als J:a:b, dit is een verhouding van de pixelbreedte van een bemonsteringsgebied vergeleken met het aantal pixels dat is bemonsterd uit elke rij in dat bemonsteringsgebied. "J" is het representatieve totale aantal pixels in het horizontale bemonsteringsgebied. In de meeste gevallen zal "J" gelijk zijn aan vier.
De volgende twee cijfers van de verhouding, de cijfers "a" en "b", verwijzen naar de verticale resolutie die wordt gesampled over het bemonsteringsgebied "J". Het tweede cijfer van de verhouding, de "a"-positie, is het aantal pixels dat is gesampled in de eerste rij pixels zoals gedefinieerd door "J". De "b" -positie van de verhouding is het aantal pixels dat is bemonsterd tussen de tweede rij pixels in het "J" -gebied. Er zijn codecs die een vierde positie in de verhouding noteren, het vertegenwoordigt de bemonstering van pixels voor een alfakanaal.
Algemene Chroma-subsamplingverhoudingen
4:4:4
Dit is de hoogste kwaliteit en heeft in feite geen subsampling. Elke pixel wordt weergegeven en behoudt zijn eigen luminantie- en chromawaarden. De beste videocamera's hebben de mogelijkheid om 4:4:4 chroma uit te voeren. Dit zijn gereedschappen van professionele kwaliteit en ze zijn dienovereenkomstig geprijsd.
4:2:2
De 4:2:2 chroma-sampling, bemonstert twee pixels van zowel de bovenste als de onderste rij. Dit reduceert de chroma-informatie tot 50 procent van de ongecomprimeerde bronchroma. Dit is een van de meer populaire voorbeelden en is te vinden in codecs zoals AVC-Intra 100, Digital Betacam, Panasonic DVCPRO HD, Apple ProRes 422 en XDCAM HD422.
4:2:0
De meer gereduceerde 4:2:0-sampling neemt twee chroma-samples van de bovenste "a" rij pixels en geen enkele van de onderste "b" rij. In plaats daarvan deelt de onderste rij choma-informatie van de bovenste rij-sampling. Dit reduceert de totale chroma-informatie tot ongeveer 25 procent van de ongecomprimeerde chroma. De configuratie van 4:2:0-sampling is gebruikelijk in HDV-beelden, AVCHD, de Apple Intermediate Codec en in veel van de MPEG-gecodeerde video-indelingen die worden gebruikt door DSLR-camera's.
4:1:1
Een chroma-sampling van 4:1:1 reduceert ook de hoeveelheid chroma-informatie tot 25 procent. Het neemt één monster uit de bovenste "a" rij pixels en één monster uit de onderste "b" rij pixels. Een bemonstering van 4:1:1 is de bemonsteringsverhouding die wordt gevonden in DVCPRO, DVCAM en in NTSC DV.
Wat betekent dit allemaal?
De esthetische beslissingen van een videoproducent worden beperkt door de technische beperkingen van hun beeldmateriaal. Daarom is het belangrijk om inzicht te hebben in chroma-subsampling en wat het met beeldmateriaal doet. Chromakeying en kleurcorrectie zijn twee processen van postproductie die worden beïnvloed door chroma-subsampling.
Beeldmateriaal dat sterk afhankelijk is van chroma-subsampling zal slechte resultaten opleveren bij chromakeying. Videocompositiesoftware kan transparantie creëren door een bepaalde kleur of een reeks kleuren in een clip te selecteren en die selectie toe te passen op een alfakanaal. Het alfakanaal zorgt voor transparantie in de afbeelding. De kwaliteit van de kleurinformatie in de afbeelding is de belangrijkste factor bij het trekken van een schone sleutel uit groen schermbeelden. Ongelijkmatige verlichting of kleurconsistentie zal het moeilijker maken om heldere gebieden met transparantie te creëren. Chroma-subsampling wordt duidelijk in de randen van ingetoetst beeldmateriaal, omdat de sleutel is gebaseerd op de gedeelde chroma-informatie over blokken pixels. Beeldmateriaal met een chroma-subsampling-equivalent van 4:1:1 of minder zal resulteren in artefacten met blokranden langs de rand van de toets. Zelfs beeldmateriaal met een verhouding van 4:2:2 zal enkele blokartefacten bevatten. De schoonste toetsen zijn afkomstig van beeldmateriaal met een ongecomprimeerde 4:4:4-verhouding.
Kleurcorrectie is het postproductieproces waarbij de dynamiek van de kleur in beeldmateriaal wordt gewijzigd om een esthetisch doel te bereiken. Soms is kleurcorrectie subtiel met veranderingen die niet opvallen. Andere keren zijn kleurgradaties drastisch met significante veranderingen in de kleur en het dynamische bereik van een afbeelding. Wanneer de chroma-informatie wordt verminderd als gevolg van chroma-subsampling, kan dynamische kleurgrading digitale artefacten in beeldmateriaal onthullen. Dit wordt het vaakst gezien in de strepen die optreden over kleurovergangen. In plaats van een vloeiende overgang van de ene kleur naar de andere, verschijnen kleurbanden als graduele stappen tussen de twee kleuren.
De redenering hiervoor is eenvoudig:chroma-subsampling vermindert de hoeveelheid kleurinformatie tussen twee gebieden van een afbeelding. Naarmate deze kleuren worden gewijzigd door kleurcorrectie, worden de kleurstappen ertussen - de chroma-subsampling - duidelijker. Het is alsof ze uitgerekt zijn. Dit is nog een reden waarom producenten die aan commerciële projecten werken, projecten die intense kleurgradaties vereisen, ervoor kiezen om met beeldmateriaal van de hoogste kwaliteit te werken dat binnen hun budget is toegestaan.
Toegang tot 4:4:4-uitvoer
Chroma-subsampling helpt bij het comprimeren van de totale grootte van videobestanden, maar die bestanden kunnen lastiger zijn om mee te werken in de postproductie. Dit is iets om op te letten wanneer dat beeldmateriaal wordt gebruikt voor groen schermwerk, visuele effecten en serieuze kleurcorrectie. Er is meer speelruimte voor wat kan worden gedaan met beeldmateriaal in de postproductie wanneer er een grotere hoeveelheid kleurinformatie in de afbeelding is. De beste optie voor elke opgenomen en verwerkte video is om ongecomprimeerde video te hebben met een chroma-subsampling van 4:4:4.
Het probleem ligt in het feit dat de meeste camera's intern opnemen op solid-state media, waardoor gecomprimeerde video met chroma-subsampling van 4:2:2 of minder nodig is. De meeste videocamera's en DSLR's hebben een video-uitgang, zoals SDI of HDMI. Afhankelijk van de beeldsensor van de camera en de beeldprocessor, kan deze mogelijk video uitvoeren met 4:4:4 chroma-subsampling. Wanneer deze video-uitgang wordt gekoppeld aan een extern opnameapparaat of een computer die is uitgerust met een hoogwaardige video-opnamekaart en bijbehorende software, wordt het een krachtig hulpmiddel.
Als de camera 4:4:4 kleurenvideo kan uitvoeren en er een extern opnameapparaat is aangesloten dat het signaal kan opnemen, is de resulterende video beter geschikt voor postproductieprocessen. Dit is de reden waarom er bij veel opnames met visuele effecten in de studio, zoals het vastleggen van een groen scherm, een grote camera-installatie is die is vastgemaakt aan een computer. De technische handleiding van een camera is de beste plaats om erachter te komen of deze in staat is om 4:4:4 kleuren weer te geven. Online forums gewijd aan de beste videocamera's zullen diepgaande discussies voeren over de beste manieren om ongecomprimeerde video uit te voeren.
Weet wat er onder de huid zit
Een producer moet weten wat de technische beperkingen zijn van hun beeldmateriaal en wat ze ermee kunnen doen. Er zijn veel opnamesituaties waarin het voordelig is om beelden vast te leggen die sterk afhankelijk zijn van chroma-subsampling om het beeld te comprimeren, ruimte te besparen en kosten te besparen. Er zijn ook situaties waarin het van cruciaal belang is om beeldmateriaal te verkrijgen met de hoogst mogelijke resolutie, beeldmateriaal dat niet is gecomprimeerd zonder chroma-subsampling.
Chroma-subsampling maakt deel uit van de verborgen anatomie van video en werkt in zijn gastheerlichaam. Door een gedegen kennis te hebben van wat chroma-subsampling is, zijn producenten beter voorbereid om hun video te verbeteren en de gewenste resultaten te krijgen.
Chris "Ace" Gates is een Emmy Award-winnende schrijver en contentproducent.