Farbunterabtastung

Originalfarbbild oben und die Aufspaltung dieses Bildes in die Komponenten Luma Y' und die beiden Chrominanzkomponenten Cb und Cr.

Die Farbunterabtastung (engl. chroma subsampling [ˈkɹoʊmə ˈsʌbˌsæmplɪŋ], color subsampling) ist im Bereich von Farbmodellen ein Verfahren, die Chrominanz (Farbinformation) mit einer gegenüber der Luminanz (Helligkeitsinformation) reduzierten Abtastrate zu speichern. Motivation ist die Reduktion des Speicherplatzes bzw. bei nachrichtentechnischen Systemen die Reduktion der Übertragungsbandbreite ohne subjektiv-optischen Qualitätsverlust.

Anwendungen liegen in der Videotechnik, bei digitalen Bildformaten wie JPEG und im Bereich der Farbfernsehtechnik.

Allgemeines

Die Farbunterabtastung macht sich die Physiologie des menschlichen Auges zu nutze, welches die Farbinformation, im Gegensatz zur Helligkeitsinformation, nur mit reduzierter Auflösung wahrnehmen kann. Wie in nebenstehender Abbildung zu erkennen ist, sind die beiden Farbkomponenten in den letzten beiden Darstellungen in der Auflösung reduziert, ohne dadurch den Eindruck des Farbbildes in der ersten Abbildung zu verschlechtern. Der Bildschärfeeindruck ist im Wesentlichen in der Helligkeitsinformation enthalten. Grundsätzlich bieten alle Farbmodelle mit von der Helligkeitsinformation getrennten Farbdifferenzinformationen die Möglichkeit zur Farbunterabtastung, wie beispielsweise YCbCr oder CIELab.

Im Bereich der analogen Videotechnik wird die Farbinformation mit geringer Bandbreite übertragen, was im Bereich der digitalen Videotechnik und digitalen Bildverarbeitung direkt einer Reduktion der Abtastrate bzw. den räumlichen Abstand der Abtastpunkte der Farbinformation entspricht. Wenngleich sich die Farbunterabtastung primär auf digitale Systeme bezieht und auch nichts ursächlich mit der Farbfernsehtechnik zu tun hat, entstammt ein Teil der Bezeichnungen der analogen Farbfernsehtechnik, insbesondere aus dem NTSC-Farbfernsehsystem.

Bezeichnungsschema

Gebräuchliche Farbunterabtastungen

Es existieren verschiedene Formen der Farbunterabtastung, welche die Unterabtastung der Farbsignale als Relation zum Helligkeitssignal beschreiben. Dabei wird üblicherweise folgende Notation mit drei Zahlen benutzt: ^[1]

A:B:C

Dabei steht A für den Faktor der Abtastrate des Helligkeitsignals Y' in Vielfachen der NTSC-Videobandbreite von 3,375 MHz im Y'CbCr-Farbmodell. Typischerweise beträgt die Abtastrate das Vierfache der Videobandbreite, womit sich der Pixeltakt zu 13,5 MHz im digitalen Videostandard ITU-R BT 601 ergibt. Die Bezeichnung von 4 an erster Stelle wurde auch bei digitalen Videoübertragungen nach ITU-R 601, welche auf dem europäischen Farbfernsehsystem PAL basieren, beibehalten, obwohl dort dieser Faktor nicht korrekt ist.

Die zweite Ziffer B steht für die Abtastrate der beiden Farbkanäle C_b und C_r in Relation zu 3,375 MHz. Sie hat im Rahmen der ITU-R BT 601 den Wert zwei und stellt die Farbunterabtastung dar.

Die dritte Ziffer C drückt den Umstand aus, dass ein Bild zwei räumliche Dimensionen, in horizontaler und vertikaler Richtung, aufweist. Damit besteht die Möglichkeit, die Farbunterabtastung in beide Richtungen unterschiedlich zu gestalten. Manchmal wird im Bezeichnungsschema eine vierte Zahl im Anschluss angegeben, welche das Abtastratenverhältnis eines mit übertragenen Alphakanals angibt.

Üblich sind folgende Farbunterabtastungen:

Y'CbCr 4:4:4	Y'CbCr 4:2:2
Y'CbCr 4:2:0	Y'CbCr 4:2:0 MPEG-2-Abtastpositionen

Weiße Kreise symbolisieren die Abtastpositionen für die Luminanz, hell- und dunkelgraue Kreise die Positionen für die beiden Chrominanzsignale.

4:4:4

In diesem Fall erfolgt keine Farbunterabtastung. Anwendungen von 4:4:4 liegen im Bereich der hochwertigen digitalen Bildverarbeitung und bei dem RGB-Farbraum. Im RGB-Farbraum ist, aufgrund der fehlenden Trennung zwischen Helligkeit- und Farbinformation, grundsätzlich keine Farbunterabtastung möglich.

4:2:2

Diese Farbunterabtastung ist ursprünglich aus dem analogen Farbfernsehstandard NTSC entstanden und wird im Rahmen der Norm ITU-R BT 601 für digitale Videosignale verwendet. Dabei wird zwischen horizontaler und vertikaler Farbunterabtastung eine Unterscheidung getroffen: Die Abtastung in horizontaler Richtung ist nur halb so groß wie in vertikaler Richtung. Durch das bei der analogen Fernsehnorm NTSC bzw. PAL übliche Zeilensprungverfahren ist die Farbauflösung in beiden Raumrichtungen identisch. Das Digital Betacam - Bandformat nutzt das 4:2:2-Verfahren.

4:2:0

Das Format 4:2:0 wird bei digitalen Bildern im Standard JPEG oder digitalen Videomaterial im Standard MPEG verwendet und weist in beiden Raumrichtungen eine identische Abtastung auf. Dabei kommen, wie in obigen Abbildungen dargestellt, leicht versetzte Abtastpunkte des Farbsignals vor: Bei JPEG wird zentrisch abgetastet, bei MPEG in gleicher vertikaler Ausrichtung wie das Helligkeitssignal.

Auch wenn der Bezug zu der NTSC-Videobandbreite bei JPEG und auch MPEG keinen Sinn ergibt, wurde das Bezeichnungsschema der Farbunterabtastung mit Ziffern beibehalten. Das PAL-DV-Bandformat (DV25-PAL) nutzt das 4:2:0-Verfahren.

4:1:1

Ähnlich wie 4:2:2, wobei allerdings die Farbkanäle in horizontaler Richtung nur mit ¹/₄ der Abtastrate des Helligkeitssignals abgetastet werden. Das NTSC-DV-Bandformat (DV25-NTSC) nutzt das 4:1:1-Verfahren.

weitere Farbunterabtastungen

Darüber hinaus existieren noch einige, meist selten angewendete Farbunterabtastungen. Im Bereich von DVCAM (DV SDL) findet eine Farbunterabtastung mit der Bezeichnung 3:1:1 Anwendung, welche von der Firma Sony geprägt wurde. Der Pixeltakt beträgt dabei allerdings nicht das 3-fache der NTSC-Bandbreite, sondern 12 MHz.

Im Bereich von High Definition Television (HDTV) auf der HD-SDI-Schnittstelle nach der Norm SMPTE 292M kommt 22:11:11 vor. Die Bezeichnung ist allerdings nur selten verwendet und ist aus dem bei HDTV verwendeten Pixeltakt von 74,25 MHz abgeleitet.

Einzelnachweise

1. ↑ Chroma subsampling notation, Charles Poynton, 2008, engl.

Literaturquellen

• Charles Poynton: Digital Video and HTDV - Algorithms And Interfaces. Morgan Kaufmann Publishers, 2003, ISBN 1-55860-792-7.