Qu'est-ce que 4: 4: 4, 4: 2: 2 et 4: 2: 0 ou couleur de sous-échantillonnage

Il est possible qu'à un certain moment vous ayez entendu parler des termes luminance et chrominance, bien que vous n'ayez pas compris exactement ce que ces concepts signifiaient ou quelles étaient leurs fonctions spécifiques. Les deux termes sont également utilisés lorsqu'un sous-échantillonnage ou un sous-échantillonnage de couleur est nécessaire.

Lors de la lecture des ensembles de chiffres 4: 4: 4, 4: 2: 2 et 4: 2: 0, cela signifie qu'à travers ces notations, une formule vidéo liée au sous-échantillonnage de chrominance (également appelée sous-échantillonnage de chrominance) est exprimée.. Ces combinaisons de nombres peuvent être trouvées dans les photos et les vidéos, c'est pourquoi il est nécessaire de savoir à quoi elles servent.

Avant d'analyser ces notations, il faut considérer que tant le contenu des photos que celui des vidéos ralentissent leur diffusion, liée aux limites offertes par le haut débit.

Dans ce scénario, et pour obtenir une plus grande vitesse de compression et de transfert dans le contenu audiovisuel, le sous-échantillonnage de chrominance est utilisé, largement utilisé dans divers formats de contenu, tels que les disques Blu-ray et les services de streaming.

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Qu'est-ce que le sous-échantillonnage ou le sous-échantillonnage de la chrominance?

Le sous-échantillonnage chromatique (sous-échantillonnage de couleur) est une technique par laquelle les informations de couleur contenues dans un signal sont compressées pour favoriser les informations contenues dans la luminance. De cette façon, la bande passante est réduite, mais sans affecter la qualité de cette image compressée.

Il y a plusieurs années, avec l'introduction de la vidéo numérique, les vidéos pesaient lourdement, ce qui rend difficile leur transmission et leur stockage. En essayant de trouver une solution à ces problèmes de taille, le sous-échantillonnage de chrominance a été atteint.

Si nous étudions la composition de toutes les vidéos numériques, nous trouverons deux composants principaux que nous appelons luminance et chrominance.

Le premier terme, que nous connaissons également la luminosité ou le contraste, englobe toutes les différences que nous voyons entre les zones les plus sombres et les plus claires de la vidéo.

Pour sa part, la chrominance est la composante de la saturation des couleurs de la vidéo. Parce que la vision d'un être humain est plus sensible au contraste (luminance) qu'à la saturation des couleurs (chrominance), il a été décidé qu'une partie de la vidéo pouvait être compressée sans affecter sa qualité.

Par conséquent, pour faciliter la gestion de la vidéo numérique, la technique de compression a été mise en œuvre. Cela signifie qu'un véritable signal vidéo couleur (4: 4: 4) dans lequel nous trouvons toutes les informations de rouge, vert et bleu dans chaque pixel, il sera compressé si un sous-échantillonnage chromatique est appliqué, ce qui le rend son transfert est plus léger et il nécessite moins de bande passante lorsque la couleur a déjà été supprimée.

Une fois l'image compressée, la qualité du noir et blanc ne sera pas inférieure à la qualité des couleurs, car, comme indiqué, la vision humaine a moins de capacité à assimiler la chrominance. De cette façon, après le sous-échantillonnage, la vidéo aura plus de luminance que les informations de chrominance.

Avec cela, il est possible de maintenir la qualité de l'image tout en réduisant considérablement sa taille jusqu'à 50%. Dans certains formats comme le YUV, la quantité de luminance n'atteint qu'un tiers du total, il y a donc une large marge pour réduire la chrominance et ainsi obtenir une plus grande compression.

Compte tenu du fait qu'il existe certaines limitations dans les vitesses qui constituent les larges bandes d'Internet et HDMI, par exemple, cette compression permet qu'une vidéo numérique puisse être transmise avec une plus grande efficacité.

Les moniteurs CRT, les écrans LCD et les dispositifs à couplage de charge (CCD) utilisent des composants pour capturer les couleurs rouge, vert et bleu. Cependant, dans une vidéo numérique, une distinction est faite entre luma et chroma juste pour pouvoir effectuer une compression et la rendre plus légère pour la transmission.

Il existe plusieurs méthodes de sous-échantillonnage de la chrominance qui utilisent différentes notations que nous expliquerons brièvement, en notant que le premier nombre est pour la luminance et les deuxième et troisième nombres sont pour la chrominance.

Méthodes de sous-échantillonnage / sous-échantillonnage des couleurs

4: 4: 4

Il s'agit de la résolution complète et originale, dans laquelle il n'y a aucune compression d'aucune sorte, le premier nombre indiquant la luminance (4) et les deux nombres suivants (4: 4) utilisés pour les composantes de chrominance Cb et Cr. Cette notation 4: 4: 4 est couramment utilisé pour les images RVB, bien qu'il soit également utilisé pour l'espace colorimétrique YCbCr.

4: 2: 2

Dans le premier numéro, nous voyons une résolution complète de la luma, tandis que nous voyons une demi-résolution pour la chrominance. Cette notation est la norme dans les images et comporte une compression qui n'affecte pas la qualité de l'image. Il est utilisé pour les formats vidéo DVCpro50 et Betacam Digital, entre autres.

4: 1: 1

Encore une fois, nous avons une luma en pleine résolution, alors que nous avons maintenant encore moins de chrominance - juste un quart. Il s'agit du schéma de sous-échantillonnage utilisé par les formats NTSC DV et PAL DVCPro.

4: 2: 0

Cette notation indique que la résolution de la luma est complète (4), alors qu'elle a une demi-résolution dans le sens vertical et horizontal pour les composantes de chrominance. En fait, 4: 2: 0 est un échantillonnage de couleurs assez difficile qui comprend de nombreuses variations si la vidéo est entrelacée ou progressive, ou si elle est utilisée par MPEG2 ou PAL DV.

Avec cet échantillonnage 4: 2: 0, vous obtenez une résolution 1/4 de couleur, tout comme l'échantillonnage 4: 1: 1. Cependant, dans le premier cas, la couleur est compressée horizontalement et verticalement, tandis que dans la deuxième notation, la compression est horizontale.

Sous-échantillonnage des couleurs 1920 x 1080

La TVHD analogique a été suivie par la TVHD numérique, une technologie de meilleure qualité et résolution. Cependant, cela a également posé un grand défi aux ingénieurs, car ils ont dû créer une forme qui permettait d'utiliser cette nouvelle technologie dans les systèmes présents à l'époque, principalement PAL et NTSC.

Par conséquent, tous les efforts devaient être dirigés pour rendre possible la compatibilité entre PAL et NTSC. La nouvelle norme HDTV devait être compatible à la fois pour PAL et NTSC, parmi ses principales caractéristiques.

Les variations que cette norme a subies au fil des ans ont été nombreuses, jusqu'à ce qu'elle soit finalement fixée à 1125 lignes verticales, dont 1080 dédiées exclusivement à l'image. À cette époque, le taux maximal pour 1080 était de 29, 97 ips (NTSC), tandis que pour 720, il était de 59, 94 ips (NTSC).

Voici quelques-unes des valeurs de sous-échantillonnage chromatique les plus utilisées dans les différents formats vidéo numériques populaires:

• HDCAM: 3: 1: 1NTSC: 4: 1: 1PAL, DV, DVCAM, HDTV: 4: 2: 0 Vidéo Internet: 4: 2: 0HDTV Qualité de transmission: 4: 2: 2 Non compressé (informations complètes): 4: 4: 4: 4

Un sous-échantillonnage 3: 1: 1 est-il meilleur que 4: 2: 2?

Dans l'ancien format HDCAM 1080p, 3: 1: 1 était utilisé, tandis que la résolution 720p avait et a toujours un sous-échantillonnage 4: 2: 2. Mais lequel était le meilleur?

Si nous nous appuyons uniquement sur les données, c'est une réponse simple: 4: 2: 2 est deux fois 3: 1: 1 en termes d'échantillonnage des couleurs, nous pourrions donc clairement dire que le meilleur dans ce cas est 4: 2: 2.

Cependant, cela ne peut pas être une réponse absolue, car la taille de l'image n'est pas prise en compte dans les notations 4 × 4 de l'échantillonnage des couleurs.

Alors, laquelle de ces notations est la meilleure? Une image qui contient beaucoup d'informations sur les couleurs ou une autre avec moins d'informations mais avec un meilleur échantillon de couleur? Il n'y a pas de réponse claire.

L'intention de cette analyse était pour nous de voir qu'une image a beaucoup plus d'informations et de complexité en arrière-plan que ce qui est superficiellement vu.

Bien sûr, en gardant toujours à l'esprit que nous utilisons un échantillon d'une image à 4: 4: 4, car il s'agit d'une notation complète dans laquelle la meilleure fréquence d'échantillonnage est obtenue.

Sous-échantillonnage 4: 4: 4 vs 4: 2: 2 vs 4: 2: 0

Le chiffre 4, qui est le premier chiffre à gauche, indique la taille de l'échantillon.

Quant aux deux nombres qui précèdent, ils sont liés aux informations de chrominance. Ceux-ci dépendent du premier nombre (4) et sont responsables de la définition de l'échantillonnage horizontal et vertical, respectivement.

Une image avec une composante couleur 4: 4: 4: 4 n'est pas du tout compressée, ce qui signifie qu'elle n'a pas été sous-échantillonnée et contient donc entièrement les données de luminance et de couleur.

En analysant une matrice de quatre par deux pixels, nous voyons que 4: 2: 2 contient la moitié de la chrominance que nous trouvons dans un signal 4: 4: 4, tandis qu'en analysant une matrice 4: 2: 0, nous voyons qu'elle contient encore moins: seulement une salle d'information couleur.

Le taux d'échantillonnage horizontal sur un signal 4: 2: 2 ne sera que de moitié (2), tandis que son échantillonnage vertical sera complet (4). En revanche, dans un signal 4: 2: 0, il n'y a qu'un échantillonnage de couleur dans la moitié des pixels de la première ligne, ignorant complètement les pixels de la deuxième ligne du signal.

Calcul de la taille des données de sous-échantillonnage

Il existe un calcul assez simple avec lequel nous pouvons savoir exactement combien d'informations sont perdues après avoir sous-échantillonné la couleur. Le calcul est le suivant:

Comme nous l'avons déjà indiqué, la qualité maximale d'un échantillon est de 4 + 4 + 4 = 12

Cela signifie qu'une image pleine couleur est 4: 4: 4 = 4 + 4 + 4 = 12, où nous trouvons 100% de qualité, sans aucune compression. À partir de ce moment, la qualité d'un échantillon peut varier comme suit:

• 4: 2: 2 = 4 + 2 + 2 = 8, soit 66, 7% de 4: 4: 4 (12) 4: 2: 0 = 4 + 2 + 0 = 6, soit 50% de 4: 4: 4 (12) 4: 1: 1 = 4 + 1 + 1 = 6, soit 50% de 4: 4: 4 (12) 3: 1: 1 = 3 + 1 + 1 = 5, ce qui représente 42% de 4: 4: 4 (12)

Par conséquent, si un signal couleur 4: 4: 4 a une taille de 24 Mo, cela signifie qu'un signal 4: 2: 2 aura une taille d'environ 16 Mo, tandis qu'un signal 4: 2: 0 Il aura une taille de 12 Mo et un signal 3: 1: 1 sera de 10 Mo.

Avec cela, nous pouvons déjà comprendre pourquoi le sous-échantillonnage chromatique est si important et continue d'exister. Pour des secteurs comme Internet et la télévision, il est essentiel car il réduit la taille des fichiers et nécessite donc moins de ressources de bande passante.

Conclusion sur le sous-échantillonnage

Avec le sous-échantillonnage chromatique, nous pouvons compresser un fichier image pour réduire sa taille de cette façon. Avec cela, il est réalisé que moins de bande passante est nécessaire pour la transmettre, sans perdre la qualité de l'image à l'œil nu. Cela signifie qu'après le sous-échantillonnage ou le sous-échantillonnage des couleurs, aucune imperfection majeure n'est visuellement perceptible.

Actuellement, l'échantillon 4: 2: 0 est essentiel pour les plateformes de contenu audiovisuel, donc sans cette technique de compression, il aurait sûrement été beaucoup plus difficile et coûteux d'accéder à des services tels que le contenu 4K d'Amazon et de Netflix.

Source Wikipedia