Digitální video 3 - Vzorkování - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

10. prosince 2001, 00.00 | V dnešním článku opět zabrousíme do oblasti televizní teorie a vysvětlíme si, jakým způsobem jsou do digitální podoby zpracovány jasové a barevné informace, které snímá CCD čip v kameře.

4:2:2, 4:1:1, 4:2:0 - O čem je řeč?
Standardní televizní signál ITU-R BT.601 (dříve též CCIR-601) využívá vzorkovací frekvenci 13.5 MHz při 720 bodech na jednom řádku. První číslo ve výše uvedených vzorcích přitom odpovídá právě 13.5 MHz vzorkovací frekvenci. Pokud se logicky ptáte, proč byla zvolena právě číselná hodnota "4", která nemá s 13.5 MHz absolutně nic společného, pak vězte, že důvodem byla snadná dělitelnost tohoto čísla pro vyjádření zbylých samplovacích hodnot. V případě, že bychom použili hodnotu "1", by totiž vznikl vcelku nepřehledný vzorec ve tvaru 1:0.5:0.5.
Teď už se ale pojďme podívat, jaké informace jsou vlastně vzorkovány. První číslo vyjadřuje luminanční (neboli) jasovou složku, která je samplována frekvencí 13.5 MHz. Druhá dvě čísla pak označují barevné signály v podobě R-Y a B-Y (neboli řečeno digitální terminologií Cr a Cb). Pokud si to celé převedeme do srozumitelnějšího jazyka, je to červená a modrá.

Možná se teď ptáte, kam nám zmizela zelená, neboť jak známo barevný obraz je vždy složen ze tří složek (RGB - červená, zelená, modrá). Odpověď je přitom velice jednoduchá: barvené schéma RGB je totiž tzv. aditivní, což znamená, že součet všech tří barev dává dohromady bílou. Podle tohoto pravidla se pak tedy za dvou dostupných barevných hodnot (v našem případě červené a modré) snadno odvodí barva třetí, tedy zelená. V praxi samozřejmě existuje na výpočet zelené přesný vzorec, ale to už bychom zabíhali do zbytečných podrobností.

Vzorkování podle digitální formátů
V systému 4:2:2, který používají formáty D-1, D-5, DigiBeta, Beta SX, Digital-S a DVCPRO50, je podle výše uvedeného vzorce samplována jasová složka frekvencí 13.5 MHz a barvené informace na frekvenci poloviční, tedy 6.75 MHz. Jelikož jsou ovšem obě barvy vzorkovány společně, dostaneme pro jeden řádek se 720 body pouze 360 barevných vzorků (viz obrázek).

Vzorkování 4:2:2 používané pro digitální formáty D-1, D-5, DigiBeta, Beta SX, Digital-S a DVCPRO50 (jinak též ITU-R BT.601).

Systém 4:1:1 používají formáty DV/DVCAM (pouze v normě NTSC) a DVCPRO. Barevná data jsou v tomto případě vzorkována s poloviční frekvencí než u předchozího systému (pro každý čtvrtý pixel) a výsledkem je tudíž pouze 180 barevných vzorků. Na první pohled to možná zní děsivě, ale vězte, že tyto hodnoty jsou srovnatelné s barevným podáním profesionálního Betacamu SP.

Systém 4:1:1 se uplatňuje pro formáty DV a DVCAM v normě NTSC a pro formát DVCPRO v normě PAL.

Z našeho hlediska je nejzajímavější systém 4:2:0, v němž pracují formáty DV, DVCAM v obrazové normě PAL. Pokud bychom vycházeli z výše uvedených předpokladů, znamenalo by to: 4 x Y, 2 x Cr a 0 x Cb, což je samozřejmě naprostý nesmyl. Takže jak se tedy věci mají?
Z následujícího obrázku na první pohled jasně vidíte, že narozdíl od NTSC vzorkovaného 4:1:1, jsou v případě PALu barvené informace vzorkovány 360 krát, avšak pouze pro každý druhý řádek jednotlivého pole neboli půlsnímku (viz předchozí díl našeho seriálu). Důvodem tohoto řešení je vyšší počet řádků v systému PAL (576 oproti 480 v NTSC), jemuž podle zjištění organizace Japanese Digital Video Consortium lépe vyhovuje rovnoměrné subsamplování v horizontálním i vertikálním směru. Jednoduše řečeno, počet barevných informací, je v tomto případě stejný jako u NTSC a na první pohled nesrozumitelné vyjádření 4:2:0 je důsledkem toho, že vzorkovací vzorec počítá pouze se samplováním v horizontálním směru.

Grafické znázornění vzorkovacího systému 4:2:0, který používají formáty DV a DVCAM v normě PAL. Schéma je ovšem nakresleno pouze pro jeden půslnímek. V případě celého snímku bychom tedy logicky viděli dva řádky párů YCr/Y, následované dvěma řádky párů YCb/Y.

Alternativní grafické znázornění rozdílů mezi jednotlivými systémy vzorkování

Význam vzorkování pro praxi
Nemusím snad příliš zdůrazňovat, že k "ošizení" vzorkování dochází u DV formátů především kvůli snížení datového toku. Zjevný je rovněž fakt, že osekání barevných informací vede ve srovnání s profesionálními formáty jako DigiBeta k nižší výsledné obrazové kvalitě. Na druhé straně je ovšem třeba zdůraznit, že při porovnání s obecně respektovaným analogovým profi formátem BetaSP, jemuž by v digitální terminologii přibližně odpovídal samplovací vzorec 3:1:1, dosahuje záznam srovnatelné kvality, o čemž nakonec nejlépe svědčí stoupající počet DV kamer v televizních stanicích (obzvláště pak ve zpravodajství a dokumentární tvorbě).
Na následujícím obrázku můžete vidět zvětšeninu, která jasně ukazuje, jak se ošizené barevné vzorkování 4:2:0 projevuje v obraze.

V praktickém životě je tento jev důležitý především pro chroma-key neboli barevné klíčování. Na hranách dvou klíčovaných vrstev totiž vlivem nižší frekvence barevného vzorkování přirozeně dochází ke vzniku "bloků", čímž vzniká nepříjemné ohraničení vkličovaného objektu. Pokud ovšem "rozmáznete" hrany prostřednictvím filtru Matte Choker (případně Matte Feathering), který je v každé střihové či kompoziční aplikaci, můžete dosáhnout velice kvalitního výsledku. Stejným způsobem postupujeme rovněž v případě titulků, kdy je dobré použít atialiasing.