Что означают 8-бит, 10-бит, 12-бит, 4:4:4, 4:2:2 и 4:2:0

Что такое 8-бит, 10-бит и 12-бит цветовая глубина?

Цветовая глубина, также известная как бит-глубина, обозначает количество бит, используемых для определения цветовых каналов (красный, зеленый или синий) для каждого пикселя.

В большинстве систем RGB используется 256 оттенков на каждый цветовой канал. Если вы хорошо знакомы с двоичной системой, число 256 должно показаться вам знакомым. Число 256 — это 2 в 8-й степени, или 8-битная цветовая глубина. Это означает, что каждый канал RGB имеет 256 оттенков, а всего в этой 8-битной системе RGB получается 256 × 256 × 256 = 16 777 216 цветов.

Сравнение цветовой глубины:

8-бит: 256 × 256 × 256 = 16,7 млн цветов
10-бит: 1024 × 1024 × 1024 = 1,07 млрд цветов (в 64 раза больше)
12-бит: 4096 × 4096 × 4096 = 68,7 млрд цветов

Таким образом чем больше бит на компоненту, тем выше точность представления цвета.

Что такое хроматическая выборка и числа 4:4:4, 4:2:2 и 4:2:0?

Часто на устройствах записи встречаются числа 4:4:4, 4:2:2 и 4:2:0, которые известны как хроматическая субдискретизация. Вам когда-нибудь было интересно, как хроматическая субдискретизация влияет на цвета изображения? И что именно означают эти числа?

Прежде чем углубиться в хроматическую субдискретизацию, давайте сначала поговорим о пикселе изображения. Пиксель изображения определяется компонентами яркости (luma) и хроминанса (chrominance). Без компонентов хроминанса яркость каждого пикселя создаёт серое представление изображения. Исследования также показывают, что человеческий глаз более чувствителен к свету или яркости, чем к цветам.

YCbCr — это цветовая модель, используемая в цифровом видео и изображениях, которая разделяет изображение на три компонента:

Y - яркостная компонента (luma)
Cb - сине-желтая хроматическая компонента (blue-difference chroma)
Cr - красно-зеленая хроматическая компонента (red-difference chroma)

Расшифровка хроматической субдискретизации:

Соотношение: Y:Cb:Cr = 4:4:4 Полная цветовая информация (нет сжатия)
Соотношение: Y:Cb:Cr = 4:2:2 Горизонтальное сжатие 2:1 (сохраняет 50% цветовой информации)
Соотношение: Y:Cb:Cr = 4:2:0 Горизонтальное и вертикальное сжатие 2:1 (сохраняет 25% цветовой информации)

Возьмём для примера 4:4:4. Первая 4 обозначает количество пикселей, которые мы субдискретизируем по горизонтали. Вторая 4 означает, что в первой строке хроматической выборки получается 4 цвета, а третья 4 — что во второй строке хроматической выборки также получается 4 цвета. Технически говоря, 4:4:4 означает, что у каждого пикселя есть собственное цветовое значение, включающее всю информацию хроминанса, поэтому это не хроматическая субдискретизация.

Теперь рассмотрим 4:2:2. Вторая 2 означает две хроматические субдискретизации в первой строке, а третья 2 — две хроматические субдискретизации во второй строке. Таким образом, изображение 4:2:2 сохраняет только половину хроматических выборок по сравнению с изображением 4:4:4.

Что касается 4:2:0, это указывает на две хроматические субдискретизации в первой строке и отсутствие субдискретизации во второй строке, поэтому пиксели во второй строке копируют те же значения хроминанса, что и в первой строке. В результате изображение 4:2:0 сохраняет только четверть цветовой субдискретизации по сравнению с изображением 4:4:4.

В чём преимущество видеокамер уровня вещания?

Пиксели — это очень маленькие точки цвета, поэтому трудно заметить визуальную разницу, записывается ли видео в формате 4:4:4, 4:2:2 или 4:2:0. Однако 4:4:4 способна записывать больше цветовой информации, чем 4:2:2 и 4:2:0, поэтому модель хроматической субдискретизации 4:4:4 всё ещё имеет преимущества над 4:2:0 и 4:2:2 в плане качества цвета.

Большинство доступных на рынке зеркальных и беззеркальных камер используют модель хроматической субдискретизации 4:2:0 для сжатия видеофайлов. Хотя с видео 4:2:0 можно получить хорошее качество изображения, вы можете столкнуться с проблемами при хромакеинге или постобработке из-за низкого разрешения хроматической информации.

По сравнению с изображениями 4:4:4, достижение чистого результата хромакеинга с видео 4:2:0 будет более сложным и времязатратным. Именно поэтому профессиональные видеопродюсеры предпочитают работать с видео 4:4:4 или 4:2:2, которые содержат больше хроматической информации, упрощающей постобработку, а итоговое видео сжимается в 4:2:0 для экономии места. Этот процесс схож с тем, как профессиональный фотограф всегда снимает в формате RAW, а затем экспортирует отредактированные фотографии в формате JPG для последующих приложений.

Часто задаваемые вопросы о битности и субдискретизации

В чем практическая разница между 8-bit и 10-bit видео?

Разница становится заметна в сценах с плавными градиентами:

8-bit: 256 уровней яркости на канал, может проявляться "banding" в градиентах
10-bit: 1024 уровня яркости, значительно меньше цветовых полос
Визуальная разница: На большинстве потребительских мониторов разница едва заметна

10-bit критически важен для профессиональной цветокоррекции и HDR контента.

Как проверить, записывается ли видео в 4:2:2 или 4:2:0?

Проверить формат субдискретизации можно несколькими способами:

Медиаинфо (MediaInfo): Бесплатная программа показывает точные кодеки и форматы
Свойства файла: В Windows через контекстное меню → Свойства → Подробно
Профессиональные плееры: VLC, PotPlayer показывают информацию о кодеках
Настройки камеры/рекордера: Проверьте в меню записи устройства

Визуально разницу сложно заметить без серьезной цветокоррекции.

Нужно ли мне 4:4:4 для YouTube видео?

Для конечного потребления 4:4:4 избыточен:

YouTube: Платформа перекодирует в 4:2:0 независимо от исходного формата
Потребительское видео: Разница невидима для обычных зрителей
Когда 4:4:4 имеет смысл: Только при серьезной постобработке и цветокоррекции

Используйте 4:2:2 как оптимальный баланс качества и размера файла для промежуточного этапа.

Сколько цветов реально нужно для хорошего видео?

Количество цветов зависит от применения:

Человеческий глаз: Может различить ~10 миллионов цветов в идеальных условиях
8-bit RGB: 16.7 миллионов цветов - достаточно для большинства контента
10-bit: ~1.07 миллиарда цветов - стандарт для профессионального видео
12-bit: ~68.7 миллиардов цветов - для кинопроизводства и HDR

8-bit часто достаточно, но 10-bit необходим для гладких градиентов и профессиональной работы.

Почему файлы с 4:2:2 такие большие?

Объем данных зависит от формата субдискретизации:

4:2:0: Требует 50% цветовой информации от полного формата
4:2:2: Требует 75% цветовой информации
4:4:4: 100% цветовой информации (максимальный размер)

Разница в размере файлов может быть 1.5-2 раза между 4:2:0 и 4:2:2 при одинаковом качестве сжатия.

Можно ли конвертировать 4:2:0 в 4:2:2 без потерь?

Нет, конвертация 4:2:0 в 4:2:2 невозможна без потерь:

Потеря информации: Цветовая информация, удаленная при субдискретизации, не может быть восстановлена
Интерполяция: Программы могут "угадать" недостающие пиксели, но это не восстанавливает оригинальные данные
Результат: Получится 4:2:2 файл, но с качеством не лучше оригинального 4:2:0

Всегда начинайте с максимально возможного качества (4:2:2 или 4:4:4), если планируете постобработку.

В чем разница между битностью и субдискретизацией?

Это разные аспекты цветопередачи:

Битность: Определяет количество оттенков внутри каждого цветового канала (глубина цвета)
Субдискретизация: Определяет разрешение цветовой информации относительно яркостной (пространственное разрешение цвета)

10-bit 4:2:2 означает: высокая глубина цвета (1024 оттенка) + среднее разрешение цветности (половина по горизонтали).

Почему 4:2:0 используется в потребительском видео?

4:2:0 стал стандартом для потребительского контента по нескольким причинам:

Экономия места: На 50% меньше данных по сравнению с 4:4:4
Пропускная способность: Меньше требований к скорости чтения/записи
Человеческое восприятие: Глаз менее чувствителен к цветовым деталям
Совместимость: Поддерживается всеми устройствами и платформами

Для просмотра без постобработки 4:2:0 полностью удовлетворяет потребности большинства пользователей.