Исследование методов субдискретизации цветного изображения



В работе рассматриваются методы цветной субдискретизации ТВ изображения в форматах 4:4:4 и 4:2:2. Приводятся их основные достоинства и недостатки, а также метод получения формата изображения 4:2:2 из исходного формата 4:4:4, что позволит сократить размер файла на компьютере почти в 3,3 раза.

Ключевые слова: субдискретизация ТВ изображения, телевидение, сжатие изображений, дискретизация.

Одной из важных проблем современного телевидения является увеличение пропускной способности канала связи, что не позволяет передавать картинку в её исходном, не сжатом, состоянии. Для её решения используют различные виды цветной субдискретизации.

Формат субдискретизации или формат цветности — это формат дискретизации цветного изображения, которое состоит из трёх компонент: сигнал яркости (далее Y) и сигналы цветности (далее Cb — голубой, Cr — красный). Вместе они составляют телевизионное изображение. В формате 4:4:4, или же исходное, не продискретизированное изображение, находится в полном горизонтальном и вертикальном разрешении (нет прореживания или сжатия). Данный формат является лучшим с точки зрения качества изображения, но не вся современная техника поддерживает такой формат, поэтому и используют субдискретизацию [1].

Субдискретизация ТВ изображения

Субдискретизация — кодирование изображения путём сжатия сигнала цветности, оставляя сигнал яркости исходным [2]. Поскольку зрение человека гораздо более чувствительно к изменениям яркости, то передаваемое изображение можно оптимизировать, путём сжатия сигнала цветности, что позволит уменьшить размер передаваемой картинки до 50 %.

Для проведения субдискретизации исходное изображение необходимо из формата RGB перевести в формат YCrCb, затем использовать прореживание или сжатие сигналов цветности, в соответствии с желаемым форматом. После этого необходимо сигналы объединить, перевести в формат RGB [2].

Существует несколько форматов цветовой субдискретизации:

— 4:4:4;

— 4:1:1;

— 4:2:0.

В формате 4:4:4 каждая компонента (Y и Cr, Cb) имеет одинаковую частоту дискретизации, поэтому сигнал цветности не прореживается. Такой формат часто используется в кинематографе, современных телевизорах и компьютерных мониторах.

Для формата 4:2:2 используют горизонтальное прореживание, что позволяет сократить пропускную способность канала на треть. Данный формат используется в основном в цифровых камерах [3].

Формат 4:2:0 широко распространён и много, где используется:

— DVD-видео;

— Видео высокой чёткости;

— Blue-ray;

— MPEG;

— JPEG;

— DV.

В данном формате используется прореживание как по вертикали, так и по горизонтали (1/2 каждого разрешения). Что позволяет значительно сократить размер картинки и не потерять хорошее качество изображения.

Формат 4:1:1 в основном используется для телевидения и кинематографа. Для его получения используют полное вертикальное разрешение и четверть горизонтального разрешения, уменьшая пропускную способность вдвое [3].

В данной работе будут исследоваться форматы 4:4:4 и 4:2:2 (рис. 1). Для получения формата 4:2:2 необходимо исходное (не сжатое) изображение перевести из rолориметрический системы RBG в систему YCrCb, затем выделить 3 сигнала: Y, Cr, Cb. Затем, сжать сигналы цветности, то есть, необходимо сделать прореживание по горизонтали (1/2 горизонтального разрешения). Далее сигналы объединить, вернуть формат RGB, и сравнить с форматом 4:4:4, чтобы сделать выводы.

Рис. 1. Форматы субдискретизации 4:4:4, 4:2:0, 4:2:2, 4:1:0, 4:4:0

Субдискретизация в формате 4:2:2

Исследование проводилось с помощью программы Matlab. В эксперименте использовались следующие параметры: изображение (4:4:4) формата jpeg; размер файла на компьютере — 760 кбайт; разрешение — 1920x1080 пикселей (Full HD).

Задача эксперимента: из формата изображения 4:4:4 получить 4:2:2, сравнить полученные результаты с исходными.

На первом этапе было загружено изображение, представленное на рис. 2, в вычислительную среду Matlab:

Рис. 2. Исходное изображение

На 2-м этапе были выделены сигналы яркости и цветности, для этого проведён переход от формата RGB к формату YCrCb. Они имеют разрешение 1920x1080 пикселей. На рис. 3 представлены исходные сигналы яркости и цветности.

Рис. 3. Исходные сигналы яркости и цветности

Файлы исходных сигналов цветности на компьютере занимают 63 и 59 КБ соответственно.

Для того чтобы получить формат изображения 4:2:2 необходимо сигналы уменьшить разрешение цветности по горизонтальности вдвое (или же сделать прореживание по горизонтали каждого второго отчёта), а сигнал яркости оставить прежним. Из-за этого цветность будет иметь разрешение 960x540 пикселей. А места на диске они будут занимать 21 и 14 КБ, что в 3 и 4 раза меньше исходных сигналов.

Рис. 4. Сигналы цветности после прореживания

На рис. 5 приведены восстановленные сигнал цветности.

Рис. 5. Восстановленные сигналы цветности

После объединения сигналов яркости и цветности необходимо выполнить преобразование из YCrCb в формат RGB, из чего получим итоговое изображение формата 4:2:2, показанное на рис. 6.

Рис. 6. Полученное изображение формата 4:2:2

В итоге было получено изображение, визуально практически не отличающееся от исходного, и размером файла на компьютере в 222 КБ, что в 3,42 раза меньше исходного.

Вывод

Цветовая субдискретизация эффективна при сжатии изображения в ТВ системах, компьютерной технике, видео и фотосъёмке, что и было показано ранее при проведении эксперимента по получению формата 4:2:2 из исходного 4:4:4, сократив место, занимаемое на компьютере, в 3,42 раза. Так же, цветовая субдискретизация позволяет экономить время передачи изображения, при этом не теряя в качестве изображения.

Литература:

1. Сжатие спектра телевизионного сигнала в системах передачи видеоинформации: Учебное пособие / В. П. Косс; Рязан. гос. радиотехн. акад; Рязань, 1996. 64 с;
2. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений издание 3-е, исправленное и дополненное: Мосвка: Техносфера, 2012. — 1104с;
3. Сайт compress.ru [электронный ресурс]: // https://compress.ru/article.aspx?id=11653#Основы %20цифровых %20преобразований.