Renk uzayı, Renk örneklemeleri, 1.5Gb/s ve 3Gb/s nedir?

2014-10-17 965 kelime 5 minutes

İçerikler

Uzun zamandır yazmayı düşündüğüm ve çok soru aldığım bir kaç konuyu bu yazımda sizlere anlatmak istiyorum. Genel olarak rastladığım sorulardan olan 4:2:2 nedir? 4:2:0 nedir? 1.5 Gb/s nedir? 3Gb/s nedir? gibi soruların cevaplarını sizlerle paylaşacağım. İlk olarak bu konuların temelinde olan renk uzayı ile başlayalım.

RGB Renk uzayı

RGB Renk uzayında her bir pikseldeki renk değeri ayrı kanallar olarak saklanır. Örneğin 8 bit bir videoda her bir piksel için 3 byte (8 bit x 3 kanal) renk değeri saklanır. RGB renk uzayında ayrıca bir parlaklık bilgisi yoktur. Bu nedenle renk ve parlaklık bilgisini birbirinden ayrı sıkıştırmak mümkün değildir.

Orjinal resim

R G B

Bazı RGB video formatları da genel olarak sıkıştırma öncesi hazır çevrim matrisleri kullanılarak YUV’a dönüştürülür ve okuma sırasında geri çevrimi yapılır.

Y’/Cb/Cr (YUV)

RGB gibi tam anlamıyla bir renk uzayı değildir, RGB renk uzayını göstermenin farklı bir yoludur. Bu yöntemde renk bilgisi (chroma), parlaklık bilgisinden (luma) ayrıldığı için bağımsız işlemlerle farklı oranlarda sıkıştırılabilir.

İnsan gözü, gördüğü resimdeki siyah/beyaz tonlamayı, yani parlaklık bilgisini (luminance) daha öncelikli algılarken, renk bilgisine aynı derecede hassas değildir. Bu nedenle parlaklık bilgisine göre daha çok tolere edilen renk bilgisi daha yüksek oranda sıkıştırılarak kullanılan bant genişliği düşürülebilir.

Luma (Y’) bilgisi bir resimdeki gamma-sıkıştırılmış renk kanallarının, yani R’, G’ ve B’ değerlerinin ağırlıklı toplamı ile elde edilir ve Y’ ile gösterilir. Resmin renk kanallarının farklı ağırlıklara sahip olmasının sebebi insan gözünün farklı renklere karşı farklı olan hassasiyetleridir. ITU (International Telecommunication Union) Uluslararası Telekomünikasyon birliği standardına göre Y’=0.299R’ + 0.587G’ + 0.114B’ formülü ile hesaplanır.

Cb (U) ile gösterilen bu değer, RGB imajın gamma sıkıştırılmış B’ (Blue: Mavi) kanalındaki bilginin Y’ ile olan farkını içerir (U = B’-Y’). ITU standardına göre Cb=-0.169R – 0.331G +0.499B + 128 şeklinde hesaplanır.

Cr (V) ile gösterilen bu değer, RGB imajın gamma sıkıştırılmış R’ (Red: Kırmızı) kanalındaki bilginin Y’ ile olan farkını içerir (V = R’-Y’). ITU standardına göre Cr=0.499R – 0.418G - 0.0813B + 128 şeklinde hesaplanır.

Orjinal resim

Y’ Cb (U) Cr (V)

Sıklıkla kullanılan renk örnekleme oranları:

Luma bilgisinden ayrı kullanılan renk bilgisi genelde bant genişliği tasarrufu için örnekleme yolu ile düşürülür. Kullanılan örnekleme oranları J:a:b şeklinde “:” karakteri ile ayrılmış üç değer olarak ifade edilir. (Alpha bilgisi içeren bir formatsa J:a:b:Alpha kullanılır. Örneğin 4:4:4:4)

Örneklemenin gösterildiği yazım şekli formatta kullanılan Y/Cb/Cr için ayrılan bantgenişliğini doğrudan ifade etmez. (4:2:0 videoda hiç Cr yok gibi bir sonuç çıkarılmamalı)

Örnekleme oranı J sayısı kadar (genelde 4 kabul edilir) pixel eninde ve 2 pixel yüksekliğinde, 8 pixel içeren bir dörtgen alanı referans alır.

J: Referans alanının eni ( genelde 4 ) a: Örneklemenin ilk sırasındaki renk bilgisi içeren pixel sayısı. b: Örneklemenin ikinci sırasındaki pixellerdeki renk bilgisi içeren pixel sayısı.

Yani 4:2:0 formatındaki bir videoda ilk 8 pixellik bir örnekleme alanının ilk satırında 2 renk bilgisi içeren pixel vardır. İkinci satırda renk bilgisi olmaması ilk satırdaki bilginin alt değer için de kullanılacağını ifade eder.

4:4:4 Örnekleme olmaksızın tüm kanallar tam çözünürlükte bilgi içerir. Sinema post prodüksiyon, yüksek kalite film tarama gibi kalitenin ihtiyaç olduğu alanlarda tercih edilir.
- HDCAM SR SQ
- DNxHD 444
- Apple ProRes 4444
4:2:2 Pek çok üst seviye yayıncılık formatında kullanılır. Yatayda tam renk bilgisi çözünürlüğü, dikeyde ise yarı renk bilgisi çözünürlüğü içerir. Örnek formatlar:
- AVC-Intra 100
- Digital Betacam
- DVCPRO50 and DVCPRO HD
- Digital-S
- CCIR 601 / Serial Digital Interface / D1
- ProRes (HQ, 422, LT, ve Proxy)
- XDCAM HD422
- Canon MXF HD422
4:2:0 Yatayda ve dikeyde yarı çözünürlük içerir.
- DVD-Video, Blu-ray Disc
- PAL DV, DVCAM
- HDV
- AVCHD, AVC-Intra 50
- Apple Intermediate Codec
- JPEG/JFIF ve MJPEG tabanlı codec ler.
- VC-1

1.5 Gb/s ve 3 Gb/s Nedir ?

Sıklıkla kullanılan renk örneklemelerinden sonra şimdide 1.5 Gb/s ve 3 Gb/s siynal nedir bunları inceleyelim;

Standart çözünürlükte (SD) hem PAL hemde NTSC’de En düşük Ortak örnekleme frekansı olarak 2.25 Mhz kabul edilir. 6 x 2.25Mhz = 13.5 Mhz olarak Luma (Y) frekansını elde ediyoruz, elde ettiğimiz bu frekansı kullanarak Standart çözünürlükteki bir sinyalin ihtiyaç duyduğu bant genişliği değerine ulaşacağız ;

(Y + Cb + Cr ) x 10bit = max. bit-rate formülünü kullanarak 4:2:2 renk örneklemeli 10 bit bir SD sinyalin Bant genişliğini hesaplayalım.

Y:     13.5 x 10 bit = 135 Mb/s
Cb:  13.5/2 x 10 bit = 67.5 Mb/s
Cr:  13.5/2 x 10 bit = 67.5 Mb/s
                     ---------------
                      **270 Mb/s**

4:2:2 renk örneklemeli 10 bit standart çözünürlük (SD)’te bir sinyalin 270 Mb/s’lik bir bant genişliğine ihtiyaç duyduğunu görüyoruz. Yüksek Çözünürlüklü (HD) bir sinyalin ihtiyaç duyduğu bant genişliğini yine aynı formülü kullanarak bulabiliriz fakat HD sinyalde Luma frekans değeri 74.25 Mhz olacaktır Şimdi bu 74.25 Mhz değerine nasıl ulaşıyoruz ona bakalım;

1125 dikey tarama için 16:9 boyutunda 2002 yatay tarama vardır bu bilgilerden yola çıkarak; 2002 x 1125 x 30 (çerçeve oranı) = 67.57 Mhz’lik bir frekans elde ediyoruz fakat bu değer 2.25 Mhz değerine tam olarak bölünmediği için yatay taramayı bir tam sayı olarak kullanmak için 74.25 Mhz değerini baz alıyoruz bu sonuçta 2200 yatay tarama çizgisi elde ediyoruz, fakat bir resim için 1920 yatay tarama yeterlidir.

74.25 Mhz frekansımızı elde ettiğimize göre HD bir siynalin bant genişliğini şimdi bulabiliriz;

Y:     74.25 x 10 bit = 742.5 Mb/s
Cb:  74.25/2 x 10 bit = 371.5 Mb/s
Cr:  74.25/2 x 10 bit = 371.5 Mb/s
                       ---------------
                       1.485 Gb/s

Elde ettiğimiz 1.485 Gb/s lik bant genişliği değerini yaklaşık olarak 1.5 Gb/s alarak HD bir sinyalin ihtiyaç duyduğu bant genişliğini buluyoruz. Peki bu 3Gb/s ’lik değere nasıl ulaşacağız, 1.485Gb/s lik değer interlace (25 ve 30 çerçeve ) taramalı sinyaller içindir. Progressive (50 ve 60 çerçeve ) taramalı sinyallerde frekans değerleri dual (çift ) olduğu için 2.97 Gb/s değerini elde ediyoruz buda yaklaşık olarak 3Gb/s lik bir bant genişliğine ulaşmamızı sağlıyor.

Bu yazımda Renk uzayı , Renk örneklemeleri , 1.5 Gb/s ve 3Gb/s nedir ? konularında sizlere elimden geldiği kadarıyla bilgi vermeye çalıştım umarım bunu başarabilmişimdir. Konu hakkında sorularınızı ve görüşlerinizi bekliyor olacağım. Bir sonraki yazımda görüşmek dileğiyle.