Kroma alt örnekleme

Kroma alt örnekleme, rengi (kroma) parlaklıktan (luma) daha düşük çözünürlükte saklayan bir sıkıştırma tekniğidir. İnsan görüşünün iyi belgelenmiş bir özelliğinden yararlanır: küçük ölçeklerde parlaklık kontrastına, renk kontrastından çok daha duyarlıyız.

Gösterim 4:2:0, 4:2:2 veya 4:4:4 biçiminde görünür. Üç sayı 4 piksel genişliğinde bir referans bloğu tanımlar: kaç luma örneği (her zaman 4), birinci satırda kaç kroma örneği, ikinci satırda kaç kroma örneği.

• 4:4:4 — alt örnekleme yok. Tam renk çözünürlüğü. Grafikler, ekran görüntüleri ve kenarların ile metnin önemli olduğu her yer için kullanılır.
• 4:2:2 — yatayda yarım renk çözünürlüğü. Profesyonel video düzenlemede kullanılır.
• 4:2:0 — çeyrek çözünürlükte kroma (yatayda yarım, dikeyde yarım). JPG, MPEG, H.264, H.265 ve çoğu tüketici videosu tarafından kullanılır. Fotoğraflar için neredeyse hiç algılanan kalite kaybı olmaksızın kroma verisinin yaklaşık %50'sini tasarruf sağlar.

4:2:0'ın başarısız olduğu yer: keskin renk kenarları, özellikle metin. Doygun mavi arka plan üzerinde doygun kırmızı metin gözle görülür biçimde bulanıklaşır. Bu nedenle ekran görüntüleri PNG (alt örnekleme yok) olmalı, fotoğraflar JPG (4:2:0 görünmez) olabilir.

Çalışılmış örnek

1920×1080 RGB görüntü, 1920 × 1080 × 3 bayt = 6.220.800 bayt (~6 MB ham) depolar. YCbCr 4:4:4'e dönüştürülünce boyut aynıdır — tam çözünürlükte 3 kanal. 4:2:2'ye dönüştürülünce kroma kanalları (Cb ve Cr) her biri 960×1080'e düşer: toplam bayt = 1920·1080 (Y) + 960·1080·2 (Cb+Cr) = 2.073.600 + 2.073.600 = 4.147.200; ham düzlem verisinde %33 azalma. 4:2:0'a dönüştürülünce kroma düzlemleri her biri 960×540'a düşer: toplam = 2.073.600 + 1.036.800 = 3.110.400, tam orijinalin %50'si. JPG, H.264, H.265, AVIF ve WebP varsayılan olarak 4:2:0 kullanır; bu nedenle JPG "DCT sıkıştırması çalışmadan önce bile %50 tasarruf sağlar" — kroma alt örnekleme bu temel kazanımı bedava sunar.

Modern kodlayıcılar zaman zaman bölge başına alt örneklemeyi uyarlar: AVIF ve JPEG XL, tek bir dosya içinde bazı görüntü bölgelerini 4:4:4, diğerlerini 4:2:0 ile kodlayabilir; bu sayede küçük bir ek yük karşılığında fotoğrafik arka planlar üzerindeki keskin metin korunur. Bu bölge başına esneklik, JPEG'in tek format kısıtlaması üzerindeki yapısal iyileştirmelerden biridir.

Ne zaman ve neden önemlidir

Alt örnekleme, 4:2:0'ın temsil edemediği keskin renk kenarları içeren her iş akışında önem taşır — kod veya terminal metninin ekran görüntüleri, doygun renkli çizgi sanatı, saf mavi üzerinde saf kırmızı logolar, arşiv için rasterleştirilmiş vektör dışa aktarımları ve kenarlarda piksel hassasiyetinde rengin zorunlu olduğu her görüntü. Çözüm, 4:4:4 varsayılan (veya destekleyen) bir format seçmektir: PNG (hiç alt örnekleme yok), 4:4:4 moduna zorlanmış AVIF (libavifenc'de --yuv=444), JPEG XL veya modern WebP kayıpsız. Ters hata — "PNG daha yüksek kalitedir" gerekçesiyle 12 megapiksellik bir fotoğraf için PNG kullanmak — görüntüleyicinin algılayamadığı kroma bilgisi için dosya boyutunun %80'inden fazlasını boşa harcar. Pratik kural: fotoğraflar → JPG/WebP/AVIF 4:2:0; arayüz ekran görüntüleri → PNG veya AVIF 4:4:4; karma içerik → her ikisini de test edin ve herhangi bir metnin etrafında %200 yakınlaştırmada sonucu inceleyin. Referans: Kroma alt örnekleme — formatlar ve gösterim.

İnsan görüşünün bunu nasıl başarılı kılabildiği: retinada yaklaşık 120 milyon çubuk hücre (parlaklığa duyarlı, renk bilgisi yok) ve yalnızca 6 milyon koni hücresi (renk için sorumlu) bulunur. 20'ye-1 oranı, kroma alt örneklemenin işe yaramasının biyolojik nedenidir — her ikinci kroma örneğini kaybetmek çoğu izleyici için görünmezken, her ikinci luma örneğini kaybetmek belirgin posterizasyon üretir. Aynı ilke, JPG ve her video codec tarafından kullanılan YCbCr renk uzayının da altında yatar: en önemli kanalı (Y, luma) daha az önem taşıyan ikisinden (Cb, Cr, kroma) ayırın; böylece her biri farklı biçimde örneklenebilir.

Terminal ekranı karşı örneği: 4:2:0 H.264 kod ekran görüntüsü yayınlarını izleyen programcılar, metnin yumuşak göründüğünden düzenli olarak şikâyet eder. Çözüm, 4:4:4 destekli bir codec'e geçmektir (FFV1, HuffYUV kayıpsız veya 4:4:4 modunda H.264 — Chrome ve OBS tarafından desteklenir ancak YouTube'un standart dönüşümü tarafından desteklenmez) ya da oynatımda ölçek küçültmenin kroma artefaktlarını gizlemesi için daha yüksek çözünürlükte kaydetmektir. Metin dışı içerikler (oynanış, konuşma başı videosu, animasyon) için 4:2:0 evrensel olarak uygundur. İlgili: gamma, AVIF. Referans: ITU-T T.871 — JPEG dosya değişim biçimi (JFIF).