色度抽样是什么

 

在图像和视频编码中经常会看到色度抽样，例如4:4:4抽样，4:2:0抽样，4:2:2抽样等等。它表示什么意思呢？视频系统的抽样系统中通常用一个三分比值表示：J:a:b（例如4:2:2），形容一个以J个像素宽及两个像素高的概念上区域，有时候会以四分比值表示（例如4:2:2:4）。依序列出为：

·        J：水平抽样参照（概念上区域的宽度）。通常为4。

·        a：在J个像素第一行中的色度抽样数目 (Cr, Cb)。

·        b：在J个像素第二行中的额外色度抽样数目 (Cr, Cb)。

·        Alpha：水平因子（与首数值有关连）。若没有此部分者可忽略，或存在时与J相同。

例如上图中，第一个4:4:4代表的意思是：采样的宽度为4，第一行采样数（黑点个数）为4，第二行采样数为4；第二个图中4:2:2表示采样的宽度为4，第一行采样数为2，第二行采样数为2；最后一个图4:2:0表示采样宽度为4，但是含义比较特殊，见下面介绍。

常见的采样有以下几种：

【1】4:4:4采样

包括Y'CbCr和RGB两种

4:4:4 Y'CbCr

每三个Y'CbCr分量都有相同抽样率。此系统有时候用作高阶底片扫瞄仪及电影后期制作中。通常会以两条SDI通道连线来盛载4:4:4带宽讯号：通道A会盛载4:2:2的讯号，通道B则会盛载0:2:2的讯号，合并成4:4:4讯号。

4:4:4 R'G'B'（没有抽样）

需要注意的是，有时候"4:4:4"也表示在RGB色度空间中，全部没有作任何色度抽样。如HDCAM SR等格式可以以双通道HD-SDI记录4:4:4 R'G'B'讯号。

【2】4:2:2采样

每个色差通道的抽样率是亮度通道的一半，即水平色差清晰度分半。这样从无压缩视频中可减少了三分之一的带宽，当中的视觉差别仅仅少量甚至不存在。大多数高端数码视频格式采用这一比率，如：

•       AVC-Intra 100

•       Digital Betacam

•       DVCPRO50 及 DVCPRO HD

•       Digital-S

•       CCIR 601 / 串行数位接口 / D1

•       ProRes (HQ, 422, LT, andProxy)

•       XDCAM HD422

•       Canon MXF HD422

【3】4:1:1

4:1:1色度抽样中，水平色度清晰度为四分之一，为全带宽的一半。起初DV格式的4:1:1色度抽样不被考虑用作广播级用途，被低端及家用产品应用。现时的DV格式（一些包括4:1:1色度抽样）都被用作如电子新闻采集等专业级用途。DV格式偶尔被用作数码电影摄影。

NTSC系统中，若亮度以13.5 MHz取样，表示Cr及Cb的讯号都以3.375 MHz取样，符合最高1.6875 MHz的奈奎斯特带宽。而传统“高端广播级NTSC模拟讯号编码器”，在I/Q波段中只有分别1.5 MHz及0.5 MHz的奈奎斯特带宽。不过在大部分器材中，尤其是廉价电视机及VHS/Betamax录影机中，色度波段只有0.5 MHz的带宽给Cr及Cb分量使用。所以尽管和全带宽数码讯号比较，仅有四分之一的色度带宽，其实DV系统提供了比高阶NTSC色差模拟规格更优质的色彩带宽。

使用4:1:1色度抽样的格式包括：

•       DVCPRO

•       NTSC DV 及 DVCAM

•       D-7

【4】4:2:0抽样

4:2:0又称I420。I420是YUV格式的一种，属于planarformat。4:2:0并不意味着只有Y,Cb而没有Cr分量。它指的是对每行扫描线来说，只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4:2:0的话，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此类推。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1，所以可以说色度的抽样率是4:1。PAL制式和SECAM制式的色彩系统特别适合于用这种方式来存储。绝大多数视频编解码器都采用这种格式作为标准的输入格式。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。