Startseite > Kommunikation > Farbraum, Gammakorrektur, digitale Video-Signale

Grundlagen der Videotechnik II

Farbraum, Gammakorrektur, digitale Video-Signale

14. August 2008, 17:12 Uhr | Von David Katz und Rick Gentile

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Datenreduktion beim Farbsignal

Das menschliche Auge ist mit wesentlich mehr Stäbchen als Zapfen ausgestattet und somit besser auf Helligkeit abgestimmt als auf die Erkennung von Farbunterschieden. Das YCbCr-Farbsystem schenkt der Helligkeit (Y) eine höhere Beachtung als der Farbe (Cb, Cr). Durch eine gröbere Abtastung (Subsampling) der Farbwerte lässt sich viel Bandbreite bei Videostandards und Kompressionsalgorithmen einsparen.

Das Eingangsignal für das Subsampling ist ein YCbCr-Datenstrom mit voller Bandbreite. Die Video-Quelle liefert Daten entsprechend Bild 2a im Format "4:4:4 YCbCr". Diese Bezeichnung sieht zwar recht merkwürdig aus, hat aber die folgende einfache Erklärung: Die erste Zahl ist stets "4" und bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der Abtastfrequenz für das Helligkeitssignal (Y) und der Farbträgerfrequenz - NTSC: 3,579545 MHz, PAL: 4,43361875 MHz.

Die zweite Zahl bezieht sich auf das Verhältnis zwischen Helligkeit und Farbe in einer bestimmten Zeile: Ohne Datenreduktion des Farbsignals ist diese Zahl "4". Die dritte Zahl, sofern sie gleich groß wie die zweite Zahl ist, beinhaltet kein vertikales Subsampling des Farbsignals. Andererseits, falls die dritte Zahl "0" ist, findet eine im Verhältnis 2:1 gröbere Abtastung des Farbsignals statt. Deshalb drückt 4:4:4 aus, dass jedes Pixel auf jeder Zeile seine eigenen, einzigartigen Y-, Cr- und Cb-Komponenten hat.

Falls man ein 4:4:4-YCbCr-Signal durch Subsampling der Farbe um einen Faktor von 2 horizontal filtert, erhält man "4:2:2 YCbCr". 4:2:2 sagt aus, dass es zu 4 Helligkeitswerten 2 Farbwerte in einer Zeile gibt (Bild 2b). Jedes (Y,Cb)- oder (Y,Cr)-Paar repräsentiert einen Pixelwert. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass ein Farbwertepaar räumlich mit jedem zweiten Helligkeitswert zusammenfällt.

Das 4:2:2-YCbCr-Signal zeigt gegenüber dem 4:4:4-YCbCr-Quellsignal nur eine geringfügig schlechtere Bildqualität, obwohl gegenüber 4:4:4 YCbCr 33 % Bandbreite eingespart werden können. 4:2:2 YCbCr ist Grundlage für das in der ITU-R BT.601 empfohlene Video-Format und es ist auch das gängigste Format zur Übertragung von digitalen Video-Signalen zwischen Komponenten und Subsystemen.

4:2:2 ist nicht das einzige Farb-Subsamplingkonzept. Bild 3 zeigt weitere gebräuchliche Verfahren. Zum Beispiel ließe sich ein Subsampling des Farbsignals eines 4:4:4-YCbCr-Datenstroms um einen Faktor von 4 horizontal durchführen, wie in Bild 3c gezeigt, um einen 4:1:1-YCbCr-Datenstrom zu erhalten.

In diesem Beispiel sind die Farbwertepaare räumlich jedem vierten Luma-Wert zugeordnet. Bei diesem Farbfilterkonzept ergibt sich eine Einsparung der Bandbreite um 50 %. 4:1:1 YCbCr ist ein bei Videokomprimierungsalgorithmen beliebtes Ein- und Ausgabeformat.

Ein weiteres beliebtes Format bei der Videokomprimierung/-dekomprimierung ist 4:2:0 YCbCr. Es ist komplexer als die anderen beschriebenen Formate. Da ein horizontales und vertikales Subsampling der Cb- und Cr-Komponenten um den Faktor 2 erfolgt, müssen mehrere Video-Zeilen gespeichert werden, um den reduzierten Datenstrom zu erzeugen.

Hinzu kommt, dass es zwei beliebte Formate für 4:2:0 YCbCr gibt. Die MPEG-2-Komprimierung nutzt ein Schema mit horizontal deckungsgleich angeordneten Farbpixeln (Bild 3d, oben), während MPEG-1- und JPEG-Algorithmen eine Form nutzen, bei der sich die Farbwerte zwischen Y-Pixelwerten befinden (Bild 3d, unten).