C o m p u t e r - u n d N e t z w e r k t e c h n o l o g i e
Chroma Subsampling / Farbunterabtastung
Grundidee
Das menschliche Auge ist etwa doppelt so empfindlich für Änderungen der Helligkeit wie für Änderungen von Farben. So ist es dann auch nur folgerichtig, die Helligkeitsinformationen getrennt von den Farbinformationen zu speichern, um Speicherplatz und Übertragungsraten zu sparen.
Chroma Subsampling
Das Chroma Subsampling (deutsch: Farbunterabtastung) dient der Reduktion der Videodatenmenge. Die Helligkeitsinformationen des Gesamtbildes (Luminanz) werden bei diesem Verfahren zumeist komplett gepeichert. Die Farbinformationen werden reduziert, indem man die Farben nur für einen Teil der Bildpunkte (Pixel) erfasst. Die nicht gespeicherten Farben von Bildpunkten müssen für die Anzeige auf dem Display ergänzt und aus den noch vorhandenen Werten interpoliert (errechnet) werden, denn Displays erwarten die kompletten Bilddaten zur Ansteuerung der Subpixel im RGB-Format. Die Interpolation der fehlenden Punkte gelingt unterschiedlich gut, so dass die Darstellung der gleichen Videodaten auf verschiedenen Displays im Detail Unterschiede aufweisen kann.
RGB -> Y Cr Cb
Erfassung der Bildpunkte
Alle Bildpunkte werden von einem guten Bildsensor als Helligkeiten der Grundfarben Rot, Grün und Blau erfasst. Kombiniert ergeben diese erfassten Lichtintensitäten bei der Anzeige auf einem Display (RGB-Subpixel) dann wieder einen Farbton (Farbmischung).
Die folgende Abbildung stellt die 16 Bildpunkte eines kleinen 4x4 Bildausschnitts dar. Es handelt sich hier um RGB 4:4:4. Für jeden Pixel werden die Helligkeiten der Farben rot, grün und blau erfasst.
Wie wird aus den erfassten RGB-Daten Y Cr Cb?
Um entsprechend unserer obigen Vorüberlegungen zur Wahrnehmung des Auges die Helligkeits- und Farbinformationen voneinander zu trennen, geht man bei der Abtaststruktur 4:2:2 wie folgt vor:
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Y-Komponente :
Die Daten für die Y-Komponente enthalten die komplette Helligkeitsinformation des Bildes (Luminanz, s/w-Bild). Entsprechend der zur Verfügung stehenden Bits (Bittiefe, z.B. 8; Anzahl der möglichen Graustufen, z.B. 2 hoch 8) wird für jeden Pixel ein Helligkeitswert ermittelt. Die ermittelten Helligkeitswerte aller Pixel des Bildes werden (in Y) gespeichert.
Ergänzung:
Der Gesamt-Helligkeitswert Y eines Pixels berechnet sich aus Anteilen des Helligkeitswertes der RGB-Sensorwerte des Pixels entsprechend der Empfindlichkeit des Auges für rot, grün und blau, z.B. wie folgt: Y=R*0,299+G*0,587+B*0,114. -
Cr-Kanal, Cb-Kanal :
Das menschliche Auge nimmt die Helligkeit des Farbtons grün deutlich stärker wahr als die Helligkeit der Farben rot und blau. Es überwiegt also in den bereits gespeicherten Helligkeitswerten der Anteil der Farbe grün. Diese Feststellung macht man sich mathematisch zunutze und verzichtet auf das Speichern der grünen Helligkeitsinformationen, indem man in so genannten Farbdifferenzkomponenten Informationen speichert, welche es ermöglichen, die ursprünglichen Helligkeitswerte des RGB-Signals durch einfache Berechnungen wiederherzustellen. Mathematisch betrachtet: Wenn man von drei Variablen einer festen Formel zwei Werte kennt, so kann man den fehlenden Wert daraus jederzeit berechnen; siehe Formel weiter oben. -
4:2:2 :
Die obigen Betrachtungen zu Y-, Cr-, und Cb-Komponente führen zu einer Darstellung im Format YCrCb 4:4:4. Es wurden allerdings damit noch keine Daten reduziert!
Die Farbinformationen können aber deutlich reduziert werden, ohne dass der ungeübte Betrachter dieses bemerkt. Wir werfen jetzt einfach jeden zweiten Wert der Cr- und der Cb-Komponente weg und reduzieren damit die Datenmenge des ursprünglichen RGB-Bildpunktes um ein Drittel. Die fehlenden Werte können für die Anzeige jeweils durch den Mittelwert der beiden benachbarten Werte ersetzt werden.
Das YCrCb-Verfahren kann man ebenfalls gut auf der Basis eines kleinen Bildausschnitts veranschaulichen. Die in den Luminanz- und Chroma-Komponenten vorhandenen Bildpunkte werden wieder in einem 4x4 Raster dargestellt anstelle der Helligkeitswerte für rot, grün und blau.
Die Möglichkeiten zur Darstellung der bei verschiedenen Abtaststrukturen verwendeten Bildpunkte für die Komponenten finden Sie hier ...
Chroma Subsampling - Bilder im Netz zum Thema
Hinweise, weitere Infos:
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Anstelle von Komponenten könnte man in den obigen Absätzen auch von Kanälen oder Signalen sprechen.