نمونه برداری کروما Chroma SubSampling و مقایسه بین نرخ های ۴:۴:۴ ، ۴:۲:۲ و ۴:۲:۰ و تاثیر در کارایی تلویزیون و کیفیت تصویر

از آنجایی که کیفیت ارائه تصویر در تلویزیون ها و دستگاه های تولید کننده محتوای تصاویر پیشرفت کرده است، تولید کنندگان تلویزیون و محتوای تصویر به فکر روشهایی برای انتقال و به اشتراک گذاشتن داده های ویدیویی هستند. این مساله زمانی اهمیت پیدا می کند که داده ای ویدیویی از طریق اینترنت بر روی صفحه نمایش پخش شود یا داده ای ویدیویی بر روی دیسک ذخیره شود . یکی از راه های فشرده سازی داده های ویدیویی نمونه برداری کروما(Chroma sub sampling) است. در این نوشته به بررسی نحوه عملکرد نمونه برداری کروما و کاربرد آن می پردازیم.

چشمان ما به دامنه ی روشنایی حساس تر از دامنه ی رنگی هستند.

تصاویر از پیکسل ها ساخته می شوند و پیکسل ها نیز دارای دو نوع اطلاعات هستند. این اطلاعات موجود در پیکسل درخشندگی(Brightness) و رنگ(Chrominance) نام دارند. از آنجایی که چشمان ما به روشنایی حساس تراز دامنه ی رنگی هستند، نمونه برداری کروما( Chroma Subsampling)، میزان اطلاعات موجود در سیگنال های ویدیویی را کاهش می دهد بدون اینکه تاثیری در کیفیت تصویر ایجاد شود. داده ی ویدیویی که بر روی آن نمونه برداری کروما انجام شده است، میزان درخشندگی هر پیکسل  در آن موجود است اما اطلاعات رنگی پیکسل ها تغییر یافته است. برای بررسی و توضیح نمونه برداری کروما کارشناسان از یک دامنه ی پیکسلی ۸ تایی که با ۴ ستون و ۲ ردیف تشکیل می شود استفاده می کنند و به آن نرخ تصویر یا Ratio می گویند. ratio دارای ۳ عدد است که با این علامت(:)از هم جدا می شوند. اولین عدد معمولا ۴ است  تعدا پیکسل ها را در راستای Wide یا افقی نشان می دهدو دومین عدد میزان نمونه رنگ در پیکسل ردیف اول و عدد سوم میزان نمونه رنگ در ردیف دوم را نشان می دهد. در اینجا یک نمونه رایج که در تلویزیون ها وجود دارد را نشان داده ایم:

در این تصویر که در تلویزیون ها بسیار رایج است، هیچ گونه نمونه برداری رنگ بر روی آن انجام نشده است و داده ای غیر فشرده است.

حالا اگر داده ای ویدیویی بر روی آن نمونه برداری کروما انجام شده باشد، درخشندگی در تمام پیکسل ها موجود است اما میزان رنگ تغییر یا به عبارتی کاهش می یابد و همین کاهش اطلاعات رنگی در یک سیگنال ویدیویی موجب فشرده سازی فوق العاده و افزایش سرعت پردازش داده می شود شما در تصویر زیر نمونه های آن را مشاهده می فرمایید:

در این تصویر داده های مربوط به درخشندگی هیچ تغییری نکرده اما اطلاعات رنگی موجود در سیگنال به میزان ۵۰ درصد کاهش یافته است.

در این تصویر نمونه برداری کروما انجام شده و تصویر به اندازی ۷۵ درصد اطلاعات رنگ آن کاهش پیدا کرده است که در آن ردیف دوم هیچ گونه اطلاعات رنگی ندارد و اطلاعات رنگی ردیف اول را به اشتراک می گذارد.

اما این نمونه برداری چقدر اهمیت دارد؟

در نمونه برداری کروما هر پیکسل روشنایی خود را دارد ولی دامنه اطلاعت رنگی متفاوت و متغیر است در Ratio 4:4:4  هر پیکسل درخشندگی خود و اطلاعات رنگی خود را دارد  به طور حتم میزان کیفیت ۴:۴:۴ بیشتر است اما آیا دستگاهی هست( تلویزیون) که آن را پشتیبانی کند. نمونه برداری کروما ۴:۲:۲ امروزه به طور زیادی استفاده می شود و علی رغم اینکه به میزان ۵۰ درصد اطلاعات رنگی آن حذف شده است، کیفیت تصویر فوق العاده را از خود به نمایش می گذارد. نمونه برداری ۴:۲:۰ هم تصاویری با کیفیت را ارائه می دهد که فرمت Ultra UHD Blu-ray از آن سیستم نمونه برداری استفاده می کند و کارایی فوق العاده دارد. کسانی که به بازی بسیار علاقه دارند و یا کامپیوتر را به تلویزیون وصل می کنند بسیار به این مساله اهمیت می دهند. بیشتر کارت های گرافیک بازی  و تلویزیون های ۴K سیستم ۴:۴:۴ را پشتیبانی می کنند. تمام تلویزیون های ۴K دارای حداقل یک پورت HDMI هستند که ۴:۴:۴  را پشتیبانی می کند. اگر از دستگاه دریافت کننده ماهواره ای استفاده می کنید، تمام دستگاه های موجود که دارای HDCP2.2 هستند از ۴:۴:۴ پشتیبانی می کنند. شما در تصاویر زیر نمونه های ۴:۴:۴ ، ۴:۲:۲ و ۴:۲:۰ را مشاهده می فرمایید:

فشرده سازی داده های ویدیویی جهت پردازش سریع و یا انتقال داده موثر تر بدون تاثیر در کیفیت تصویر را نشان می دهد. زمانی که از تلویزیون به عنوان مانیتور استفاده شود ۴:۴:۴ بسیار اهمیت دارد و سیستم داده دستخوش تغییر یا نمونه برداری کروما نشده است. زمانی که از تلویزیون برای بازی استفاده شود و یا یک کنسول بازی به آن وصل شود سیستم بدون تغییر ۴:۴:۴ بسیار کارآمد است اما برای تماشای ویدیو و یا برنامه های تلویزیونی عمل فشرده سازی و نمونه برداری کروما تاثیر زیادی در کیفیت تصویر ندارد.

تاثیر فشرده سازی در انتقال و پردازش داده بسیار زیاد است سیستم های فشرده سازی اطلاعت رنگ  تاثیر زیادی در کیفیت تصویر ندارد، اما زمانی که در یک دامنه رنگی در تصویر نوشته ای باشد آن نوشته در حالت ۴:۴:۴ بالاترین رزولوشن را دارد و به راحتی می توان نوشته را خواند. در نتیجه برای استفاده از تلویزیون برای بازی یا به عنوان مانیتور سیستم ۴:۴:۴ از اهمیت زیادی برخوردار است.

شیوه تنظیم تلویزیون های موجود در بازار برای استفاده از قابلیت ۴:۴:۴ 

تلویزیون ال جی LG

 در تلویزیون ال جی به قسمت منو تنظیم رجوع کرده (  TV’s Picture Setting ) و  در آن HDMI Ultra HD Deep Colour را انتخاب کنید، سپس گزینه Input Botton  را انتخاب کرده و  در آن All input را انتخاب کنید سپس می توانید از ورودی و خروجی های مورد نظر استفاده کنید برای مثال برای دسترسی به ۴:۴:۴ می توانید از PC Mode استفاده کنید.

تلویزیون سامسونگSamsung

به صفحه تنظیمات رجوع کرده و در قسمت پایینی Picture Setting  گزینه ی Expert Setting  را انتخاب کنید در همان قسمت با اسکرول پایین آمده و گزینه  HDMI UHD Colour  را انتخاب کنید و سپس می توانید از ویژگی پورت های مورد نظر استفاده کنید و گزینه PC Mode هم در آنجا قرار دارد.

تلویزیون سونی Sony

 به قسمت تنظیمات رجوع کرده و از آنجا External Inputs را انتخاب کنید و از آنجا به بعد نیز HDMI Enhanced Inputs را انتخاب کنید  و از آنجا ۴:۴:۴   را انتخاب کنید و سپس حالت تصویر را در تنظیمات اصلی و اولیه به Graphic تغییر دهید.

جمع بندی

شیوه فشرده سازی داده، از فناوری ها و تکنولوژی هایی است که با پیشرفت در زمینه دستگاه های تولید کننده محتوای تصویری و دستگاه های پخش کننده تصویر به وجود آمده است.  در فشرده سازی داده های تصویری که به آن نمونه برداری کروما(Chroma Sampling) گفته می شود اطلاعات پیکسلی مربوط به درخشندگی بدون تغییر و اطلاعات رنگی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد، در نتیجه سرعت پردازش تصویر و انتقال سیگنال های ویدیویی افزایش می یابد. چون چشم انسان نسبت به درخشندگی حساس تر است در نتیجه درخشندگی ثابت مانده و محتوای رنگ کاهش می یابد . کیفیت تصویر ثابت می ماند اما زمانی که از تلویزیون به عنوان مانیتور یا برای بازی استفاده شود داده های ویدیویی ۴:۴:۴ بهتر است. تلویزیون های ۴K دارای پورت HDMI انتقال  داده ویدیویی ۴:۴:۴ هستند .