我們經常會看到4:4:4、4:2:2、4:2:0這樣的字眼，比如你的5D拍攝的視頻是4:2:0取樣壓縮的，又比如QuickTime的ProRes422格式，或者專業攝影機拍攝時是以4:4:4取樣的。視頻壓縮通常被認為是數字格式特有的概念，但早在模擬信號時代就有了，數字格式的壓縮只是變得更複雜了而已。在這個文章中，我們來看看什麼是4:2:2、4:1:1和4:2:0色度取樣。
取樣的概念
視覺專家很早以前就知道，人眼對亮度解析度的敏感度高於對色彩解析度的敏感度。
這就是早期模擬和數字壓縮形式的主要動因。視頻信號會分解為亮度和色度，這兩個是組成色彩的元素，這類似於圖像可以分解為紅、綠、藍三個元素。亮度和色度元素被稱為YUV（模擬信號）或YCbCr（數位訊號）而不是RGB。
一旦被分開，色度解析度會通過一個叫做「色度取樣」的步驟被減半或更多。結果就是在同樣的廣播帶寬情況下，視頻信號能呈現更多的細節，這是因為亮度元素對視頻信號的貢獻更大。
原始圖像
色度取樣後
這個技術也是很容易實現的，在解碼時也不需要進行太多處理。基於這些原因這個方法在今天仍然被廣泛的成功使用。
它是如何工作的
早期的顯示器是以逐行掃描每個橫線上的像素來顯示圖像的，通常是從頂部到底部快速連續的掃描。在每條線被掃描時，色度數值的傳送頻率比亮度低。
儘管現代的顯示設備不是這種工作模式，掃描線的概念依然很重要，因為色度取樣的方式是水平的。一條線被掃描時傳遞的亮度值和色度之間的比率常用來描述各種取樣方式。這個比率通常基於亮度值，然後以4:X:Y的形式描述，X和Y是每兩個色度通道中的數值的相對數量。下面的例子中體現了這些比率是如何影響一個4x2像素圖像的解析度。
亮度解析度
色度解析度4:4:4
色度解析度4:1:1
色度解析度4:2:0
使用標準的命名規則，4:2:2意味著每個橫向的掃描線每4個亮度值對應兩個色度值。簡單的，4:1:1意味著每4個亮度值對應1個色度值，4:4:4意味著色度值不進行二次採樣。不過這不是完全連續的，4:2:0會以1個色度值對應四個亮度值，對於第一個色度元素有兩個取樣值，第二個色度元素則不進行取樣，這不能產生完整的彩色圖像。實際當中，4:2:0意味著每條掃描線有兩個色度取樣，只對隔行進行取樣。
壓縮失真
由於色度取樣有效的減少了色彩解析度，在色彩過渡較銳利的邊緣體現較明顯。下面的例子展現了在8x8的圖像中壓縮後的樣子。
原始4:4:4
色度取樣4:2:2
色度取樣4:1:1
色度取樣4:2:0
副作用通常是減少細節處顏色的飽和度。通常這個不會減少大個物體內的顏色飽和度，如果這些物體含有精細的色彩圖案，壓縮後會較明顯。下面的這種色彩圖案就很容易受壓縮的影響：
原始
4:2:2
4:1:1
4:2:0
不過，壓縮效果的力度很大程度上取決於細節的類型。下個例子中空間距離也是很近的，但是類似顏色的屋頂壓縮前後的差別就很細微。
原始
4:2:2
4:1:1
4:2:0
上面的各種取樣方式中，請注意看屋頂的紅色邊緣處，豎直的紅色煙囪處，紅色的窗框，以及上面和下面的屋頂上排列的斜線。最明顯失真就是這些區域的顏色飽和度降低了。還能注意到各種採樣類型對橫向與縱向顏色細節的影響是不同的。
總結
儘管從早期視頻採樣到現在，色度取樣已經是一種簡單有效的壓縮技術，但是它會產生明顯的失真。數位技術那是起也變得更複雜。不過取樣只是簡單的減少圖像的色彩解析度的寬度，現代數字編碼能夠分析圖像內容然後決定如何優先處理細節。舉例來說，現代數字採樣，能夠對低亮度、低飽和度以及細節度低的區域區別對待。
消費者的眼光也變得更犀利，對圖像質量的要求也越來越高。對於4:2:0壓縮方式的DVD，藍光碟成為了趨勢。最後，在進行現代數字編碼時，為其提供4:4:4採樣的數據，能極大程度的改善編碼後的圖像質量。
（轉自：~燁）
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