YUVとサンプリング

フルハイビジョンテレビの画角は、「1920×1080」の画素で構成されます。
それぞれの画素のカラー信号をRGB、8ビットで表現すると、

1920(横ピクセル数)×1080(縦ピクセル数)×3(3色)×8(ビット/色)
×29.97(フレーム/秒)≒1.4Gbps(ギガビット/秒)

という莫大なデータ量になり、記録・伝送・信号処理などに大きな負担がかかります。実際は、サンプリングとデータ圧縮という技術により10分の1以下にデータ量が縮小されています。今回はサンプリングによるデータ量縮小の原理とご紹介します。

人間の視覚は、明るさ(輝度)には敏感ですが、色(色相・彩度)には比較的鈍感と言われています。この特性に基づいて、輝度のデータを維持しながら、色のデータを間引く方法がサンプリングです。様々なカタログなどのYUVによく記載されている「4:2:2」や「4:2:0」が色の間引き方を示しています。
実際に見てみましょう。 Yは輝度、R-Yが赤色差(U)、B-Yが青色差(V)です。

YUV4:2:2 Yは全画素 R-YとB-Yは2つおきにサンプリングします。
yuv422

YUV4:2:0 2×2ブロックにつき、1つずつサンプリングします。
yuv420

YUV4:1:1 R-Y、B-Yを4画素おきにサンプリングします。
yuv411

ここで以前ご紹介した主なビデオのフォーマットを見てみます。

フォーマット pixel YUV 映像記録レート(Mbps)
DV 525/60i (NTSC) 720 x480 4:1:1 25
625/50i (PAL) 720×576 4:2:0
HDV 1440×1080 4:2:0 25
DVC Pro HD 1080/60i 1280×1080 4:2:2 100
1080/50i 1440x1080 4:2:2
HDCAM 1440×1080 4:2:2 144
D5 1920×1080 4:2:2 235
XDCAM MPEG HD422 1920×1080 4:2:2 50
MPEG HD 1440×1080 4:2:0 35
P2 AVC Intra 100 1920×1080 4:2:2 100
AVC Intra 50 1440×1080 4:2:0 50
AVC HD 1920×1080 4:2:0 最大24
1440×1080 4:2:0

DVは4:1:1を採用しているため横方向4ブロック単位のブロック化が見られ、輪郭線にギザギザ(ジャギー)が現れやすくなっています。またHDVは4:2:0方式を採用しています。同じサンプリング効率ですが輪郭のジャギーが出にくくなっています。
DVC Pro HDの60iは、4:2:2ですが、ピクセルが横長の長方形のため、HDCAMに比較すると画質は落ちます。

YUV4:4:4は全く色データのサンプリングを行わない方式です。合成素材や品質優先に適していますが、NHK報道では使用していません。

このように色のデータを間引くことで、データ量を縮小させています。

このほかにも時間軸でデータ量を縮小させる方法や数学的に圧縮する方法もあります。

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