2021-11-19

数字格式

图像处理

尽管从早期视频采样到现在，色度取样已经是一种简单有效的压缩技术^[1]，但是它会产生明显的失真。数字技术那是起也变得更复杂。不过取样只是简单的减少图像的色彩分辨率的宽度，现代数字编码能够分析图像内容然后决定如何优先处理细节。举例来说，现代数字采样，能够对低亮度、低饱和度以及细节度低的区域区别对待。

消费者的眼光也变得更犀利，对图像质量的要求也越来越高。对于4:2:0压缩方式的DVD，蓝光碟成为了趋势。最后，在进行现代数字编码时，为其提供4:4:4采样的数据，能极大程度的改善编码后的图像质量。

在最近十年中，视频工程师发现人眼对色度的敏感程度要低于对亮度的敏感程度。在生理学中，有一条规律，那就是人类视网膜上的视网膜杆细胞要多于视网膜锥细胞，说得通俗一些，视网膜杆细胞的作用就是识别亮度，而视网膜锥细胞的作用就是识别色度。所以，你的眼睛对于亮和暗的分辨要比对颜色的分辨精细一些。正是因为这个，在我们的视频存储中，没有必要存储全部颜色信号。既然眼睛看不见，那为什么要浪费存储空间（或者说是金钱）来存储它们呢？

像Beta或VHS之类的消费用录像带就得益于将录像带上的更多带宽留给黑—白信号（被称作“亮度”），将稍少的带宽留给彩色信号（被称作“色度”）。

亮度：如果整张画面的尺寸是720*480，那么亮度信号是720*480

RGB(三基色)转换成Y\Cb\Cr信号是等量转换的，如果一个彩色图片的一个像素点中，一个基色占8bit，则该像素点在RGB信号共占8bit*3，转换成Y\Cb\Cr信号也占8bit*3 转换公式

在MPEG2（也就是DVD使用的压缩格式）当中， Y^[2]、Cb^[3]、Cr^[4]信号是分开储存的（这就是为什么 分量视频传输需要三条电缆）。其中Y信号是黑白信号，是以全分辨率存储的。但是，由于人眼对于彩色信息的敏感度较低，色度信号并不是用全分辨率存储的。

色度信号分辨率最高的格式是4:4:4，也就是说，每4点Y采样，就有相对应的4点Cb和4点Cr。换句话说，在这种格式中，色度信号的分辨率和亮度信号的分辨率是相同的。这种格式主要应用在视频处理设备内部，避免画面质量在处理过程中降低。当图像被存储到MasterTape，比如D1或者D5的时候，颜色信号通常被削减为 4:2:2

4:4:4数字格式：如果整张画面的尺寸是720*480(个像素点)，那么亮度信号是720*480，Cb信号是720*480，Cr信号是720*480

若一个像素点占24bit，该图像占24*720*480*3bit

其次就是4:2:2，就是说，每4点Y采样，就有2点Cb和2点Cr。在这种格式中，色度信号的扫描线数量和亮度信号一样多，但是每条扫描线上的色度采样点数却只有亮度信号的一半。当4:2:2信号被解码的时候，“缺失”的色度采样，通常由一定的内插补点算法通过它两侧的色度信息运算补充。每个象素都有与之对应的亮度采样，同时一半的色度采样被丢弃，所以我们看到，色度采样信号每隔一个采样点才有一个。当着张画面显示的时候，缺少的色度信息会由两侧的颜色通过内插补点的方式运算得到。就像上面提到的那样，人眼对色度的敏感程度不如亮度，大多数人并不能分辨出4:2:2和4:4:4颜色构成的画面之间的不同。

4:2:2数字格式：如果整张画面的尺寸是720*480(个像素点)，那么亮度信号是720*480，Cb信号是720*240，Cr信号是720*240

若一个像素点占24bit，该图像占24*720*480*2bit

色度信号分辨率最低的格式，也就是DVD所使用的格式，就是 4:2:0了。事实上4:2:0是一个混乱的称呼，按照字面上理解，4:2:0应该是每4点Y采样，就有2点Cb和0点Cr，但事实上完全不是这样。事实上，4:2:0的意思是，色度采样在每条横向扫描线上只有亮度采样的一半，扫描线的条数上，也只有亮度的一半！换句话说，无论是横向还是纵向，色度信号的分辨率都只有亮度信号的一半。举个例子，如果整张画面的尺寸是720480，那么亮度信号是720480，色度信号只有360*240。在4:2:0中，“缺失”的色度采样不单单要由左右相邻的采样通过内插补点计算补充，整行的色度采样也要通过它上下两行的色度采样通过内插补点运算获得。这样做的原因是为了最经济有效地利用DVD的存储空间。诚然，4:4:4的效果很棒，但是如果要用4:4:4存储一部电影，我们的DVD盘的直径至少要有两英尺（六十多厘米）！

4:2:0数字格式：如果整张画面的尺寸是720*480(个像素点)，那么亮度信号是720*480，Cb信号是360*240，Cr信号是360*240

若一个像素点占24bit，该图像占24*720*480*3/2bit

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1. 分量色差传送的视频有多种方式，例如将三原色直接传送的RGB方式，将所有的颜色作同等处理，拥有最高的画质，在专业的彩色监视器及电脑显示器上均以此种方式。但由于RGB方式对传输带宽和存储空间消耗太大，为节省传输带宽，还使用分量色差方式，从RGB转换为亮度(Y）与色差（Cb/Cr或Pb/Pr，分别代表隔行扫描及逐行扫描）。 ↩

2. 亮度信号，只包含黑白图象信息 ↩

3. Cr是R-Y信号，即红色信号与亮度信号的差 ↩

4. Cb是B-Y信号，即蓝色信号与亮度信号的差 ↩