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クロマサブサンプリング技術

28 5月, 2013

一般的にビデオ圧縮はデジタルに固有のものと考えられていますが、実際にはこれはアナログ初期の頃から存在していました。 ただ現在、当時よりも圧縮はより洗練されたものとなっています。 この記事では特定の4:2:2、4:1:1、および4:2:0のクロマサブサンプリング における初期の戦略を取り上げます。

戦略

人間の目が輝度解像度よりも色解像度により敏感であることは、ビジョンスペシャリストの間では昔から知られていました。

これが、アナログおよびデジタル圧縮の初期形態の背後にある中心的動機となったのです。 画像を赤、緑、青(RGB)の3つの成分に分離できるように、ビデオ信号も1つの輝度または「ルミナンス」の成分、および2つの色または「クロマ」の成分に分離することができます。 RGBと相対的に、ルミナンスおよびクロマの成分はYUV(アナログ)またはYCbCr(デジタル)と呼ばれます。

一度分離されると、クロマ解像度は「クロマサブサンプリング」と呼ばれるプロセスを通じて半分以下に下げられます。 最終的な結果として、ビデオ信号でルミナンス成分がより大きな部分を占めるため、同じ放送帯域幅でビデオ信号がより詳細に表示されるようになります。

同等の成分
(元の画像)
クロマサブサンプリング後
(DVDやブルーレイになるもの)

技術の実装は比較的簡単で、高速プロセッサでデコードする必要もありません。 こうした理由により、現在まで戦略は非常に成功しており、継続されてきました。

仕組み

初期のモニターでは、通常上から下へ立て続けにピクセルの各水平ライン間を漸次スキャンして画像が表示されました。 各ラインがスキャンされると、ルミナンスよりもクロマにより少ない頻度で値が送られます。

現代のディスプレイ装置がすべてこのように機能するわけではありませんが、クロマサブサンプリングのタイプが水平に指定されているため、スキャンラインのコンセプトは依然として重要となります。 多くの場合、各タイプはラインスキャン時にルミナンスとクロマの値が送られるレート間の比率として記載されています。 この比率は通常4つのルミナンス値に基づき、4:X:Yのフォームとなります。XとYは2つのクロマチャネルごとの値の相対数です。 これらの比率がシンプルな4 × 2のピクセル画像の解像度にどのように影響するかが下の例に示されています。

ルミナンス解像度
クロマ解像度

標準名称法を使えば、4:2:2とは各水平スキャンラインに4つのルミナンス値当たり2つのクロマ値があるという意味になります。 同様に、4:1:1とは4つのルミナンス値が送られるたびに1つのクロマ値が送られること、そして4:4:4にはクロマサブサンプリングがないことを意味しています。 しかし、これは完全には一致していません。 4:2:0は4つのルミナンス値ごとに最初のクロマ成分に2つ、2つ目の成分に0であることを暗に意味していますが、これではフルカラーの画像は生成されません。 実際には、4:2:0はスキャンライン当たり2つずつのクロマサンプルがあるけれども、これらは1ラインおきに存在するという意味です。

圧縮アーチファクト

クロマサブサンプリングで効果的に色解像度が下げられるため、鮮明色が移行するエッジ付近でそれが最も視覚的になります。 下の例にはシンプルな8 × 8ピクセルの画像でどのように見えるかが示されています。

4:4:4フルカラー
クロマサブサンプリング後

正味の効果は通常ディティール内で彩度が落ちることです。 通常これによって大きな被写体内の彩度が落ちることはありませんが、それらの被写体に細かい色のパターンが含まれている場合はそれが目に見えます。 下に示されている色鮮やかな天井模様などは特に影響を受けやすくなります。

しかし、この効果の強さはディティールのタイプによって大きく異なります。 次の例には似た色の瓦が狭い間隔で並んでいる屋根が含まれていますが、これにはより微妙な違いが表れています。

上のそれぞれの設定で、上側にある屋根の赤い陸棟(縁の部分)、垂直に立っている赤い煙突、赤い窓枠、および上側下側両方の屋根に斜めに走っている瓦を特に注意してご覧ください。 最も目に見えるアーチファクトは、おそらくこれらの部分における彩度の低さです。 また、それぞれの設定により縦と横の色のディティールにどのような影響が出ているかにもご注意ください。

考察

クロマサブサンプリングがビデオ初期の時代から使われてきた簡単かつ効果的な圧縮技術とは言え、これにより顕著なアーチファクトを作成できることは事実です。 しかし、デジタル技術はそれ以来はるかに洗練されたものとなっています。 サブサンプリングが色解像度を落とす簡単な画像全体の縮小を利用する一方、現代のデジタルコーデックでは画像コンテンツを分析し、どのようにそのディティールを優先化するかを決定することができます。 例えば、低輝度、低彩度、および粗いディティールがある部分はすべてデジタルなら異なる方法で処理することができるのです。

画質の問題となると、消費者もまたより目が肥えてきており、高い期待を持つようになってきました。 よって、DVDやブルーレイで使用される従来の4:2:0圧縮以上の質の探求が最近の傾向となっています。 究極的には、現代のデジタルコーデックに4:4:4のフルデータを送り込むことでそのイメージを最大限に活用でき、著しく画質を向上できる可能性があります。

この記事は、英語で書かれたものを日本語に翻訳してあります。 英語原稿をお読みになりたい場合は、米国のウェブサイトをご覧ください。