Sous-echantillonnage de la chrominance

Presentation

Type	Compression d'image , compression video

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Le sous-echantillonnage de la chrominance est une methode de reduction de volume des images numeriques. Il consiste a diminuer le nombre d' echantillons a traiter : on parle de decimation. Il peut etre suivi d'une etape de compression d'image ou de compression video . Ces etapes sont souvent necessaires afin d'adapter un signal video a son mode d'enregistrement ou de transmission. La vision humaine presentant une sensibilite moindre a la couleur qu'a la luminosite, on conserve generalement moins d'informations de chrominance que de luminance sans pour autant degrader la qualite percue de l'image. Il est cependant possible de sous-echantillonner la luminance.

Video analogique [ modifier | modifier le code ]

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En video analogique, la bande passante allouee aux signaux de chrominance est souvent deux fois moins grande que celle allouee a la luminance. Ce resultat est obtenu par filtrage passe-bas des signaux de chrominance apres l'operation de matricage .

Video numerique [ modifier | modifier le code ]

Structures d'echantillonnage [ modifier | modifier le code ]

Chaque pixel de l'image peut etre reconstitue a partir de ces trois composantes : la luminance Y', la chrominance bleu ou difference bleu (Cb) et la chrominance rouge (Cr). Cependant, on diminue souvent le nombre d'echantillons pour reduire le nombre d'informations a transmettre : un echantillon pourra etre utilise pour plusieurs pixels. Pour quantifier le sous-echantillonnage, on se represente une region de quatre pixels de largeur sur 2 pixels de hauteur et on indique une serie de 3 nombres J:a:b (par exemple 4:2:2).

• J est le nombre d'echantillons de luminance (Y') par ligne (toujours identique sur les deux lignes de J pixels). Habituellement, 4.
• a est le nombre d'echantillons de chrominance (Cb, Cr) sur la premiere ligne de pixels.
• b est le nombre d'echantillons de chrominance (Cb, Cr) sur la deuxieme ligne de pixels.

  

Un quatrieme nombre est parfois ajoute, J:a:b:α (par exemple, 4:2:2:4), pour permettre la transmission ou l'enregistrement d'un canal alpha .

• α est le nombre d'echantillons alpha horizontal ; il peut etre omis si la composante alpha n'est pas presente et est egal a J lorsqu'il est present.

Pour calculer le rapport de debit requis par rapport a 4:4:4 (ou 4:4:4:4), il faut additionner tous les facteurs et diviser le resultat par 12 (ou 16, si alpha est present).

L'utilisation du chiffre 4 comme reference a pour origine le choix historique de la frequence d'echantillonnage fixee a 4 fois la frequence de la sous-porteuse pour les signaux composites numeriques ^{[ 1 ]} , aujourd'hui obsoletes. Les frequences de la sous-porteuse etaient de 4,43  MHz pour les signaux PAL et 3,58  MHz pour les signaux NTSC. Les frequences d'echantillonnage pour les signaux numeriques correspondants furent choisies a respectivement 17,73  MHz et 14,32  MHz . Puis la frequence d'echantillonnage fut choisie a 13,5  MHz lors de l'elaboration de l' ITU-R BT 601 destinee a la numerisation des videos en definition standard (SDTV) ^{[ 2 ]} . Vinrent ensuite les signaux respectant les normes haute definition (HDTV) dont l' ITU-R BT 709 qui fixa la frequence d'echantillonnage a 5,5 × 13,5 = 74,25  MHz . Ceci explique pourquoi on a pu lire parfois des notations sous la forme 22:11:11, les coefficients 4:2:2 ayant ete multiplies par 5,5, au debut du passage a la television a haute definition.

4:4:4 (Y'CbCr ou R'G'B') [ modifier | modifier le code ]

La structure 4:4:4 est principalement utilisee dans le monde du cinema et par les productions audiovisuelles les plus exigeantes car elle ne presente aucun sous-echantillonnage. Chaque pixel est defini totalement, ce qui facilite les travaux sur l'image comme les incrustations . Dans ce cas, on peut aussi bien transmettre les composantes R', G', B' sans matricage que les composantes Y', Cb et Cr. Le probleme de cette structure est son debit tres eleve ce qui entraine un cout des materiels de traitement et d'enregistrement et de montage.

4:2:2 [ modifier | modifier le code ]

Les deux composantes de chrominance sont echantillonnees a la moitie de la frequence d'echantillonnage de luminance : il y a deux fois moins d'echantillons, la resolution de chrominance horizontale est reduite de moitie. Cela reduit le debit d'un tiers, avec peu ou pas de difference visuelle. Beaucoup de formats video numeriques haut de gamme et d'interfaces utilisent cette structure.

4:2:0 [ modifier | modifier le code ]

La structure 4:2:0 est un sous-echantillonnage utilise generalement par le grand public, mais il peut aussi etre utilise par un professionnel s'il ne veut pas faire de travaux importants sur l'image comme une incrustation ou un etalonnage de couleurs . Une incrustation effectuee en 4:2:0 presentera des artefacts comme un effet escalier sur le contour de la decoupe.

4:1:1 [ modifier | modifier le code ]

Cette structure d'echantillonnage est peu utilisee. Quelques formats d'enregistrement l'utilisent neanmoins.

4:2:1 [ modifier | modifier le code ]

Bien que ce mode soit techniquement defini ^{[ref. necessaire]} , tres peu de codecs logiciels et materiels utilisent ce mode d'echantillonnage.

3:1,5:1,5 [ modifier | modifier le code ]

Cette structure ne concerne que des formats d'enregistrement. Le chiffre 3 signifie que trois echantillons de luminance, obtenus par interpolation, sont enregistres a partir de 4 qui ont ete captes et qui devront etre restitues. Pour des definitions 1920×1080, 1440×1080 echantillons de luminance et 720×1080 echantillons de chaque chrominance sont enregistres.

3:1,5:0 [ modifier | modifier le code ]

La resolution est divisee par deux verticalement par rapport a la structure 3:1,5:1,5.

3:1:1 [ modifier | modifier le code ]

Pour des definitions 1920×1080, 1440×1080 echantillons de luminance et 480×1080 echantillons de chaque chrominance sont enregistres.

Histoire [ modifier | modifier le code ]

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Le sous-echantillonnage de la chrominance a ete developpe dans les annees 1950 par Alda Bedford pour le developpement de la television couleur par RCA ( Radio Corporation of America ). La separation luminance/chrominance a ete developpee des 1938 par Georges Valensi .

Bedford a montre que l'œil humain a une resolution elevee pour le noir et blanc, un peu moins pour le "milieu de gamme" des couleurs comme le jaune ou le vert, et beaucoup moins pour les couleurs des extremites du spectre (le rouge et le bleu). Ces connaissances ont permis a RCA de developper un systeme qui neglige la qualite du signal bleu (apres etre venu de la camera), et qui conserve la plupart du signal vert et une partie du rouge ; ce qui est un sous-echantillonnage de la chrominance dans l’espace de couleur YIQ ^{[ref. necessaire]} , et qui est a peu pres analogue au sous-echantillonnage 4:2:1, en ce sens qu' il diminue la resolution pour la luminance, le jaune/vert et le rouge/bleu ^[pas clair] .

References [ modifier | modifier le code ]

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

• Espace de couleur
• Society of Motion Picture and Television Engineers
• Video numerique
• Haute definition
• YCbCr
• YPbPr
• CCIR 601 4:2:2 SDTV
• YUV
• Vision des couleurs
  • Batonnet
  • Cone (biologie)

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