什麼是4:4:4、4:2:2、4:2:0？瞭解圖像壓縮取樣的方式
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。視頻壓縮通常被認爲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復雜了而已。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，人眼對亮度分辨率的敏感度高於對色彩分辨率的敏感度。
這就是早期模擬和數字壓縮形式的主要動因。視頻信號會分解爲亮度和色度，這兩個是組成色彩的元素，這類似於圖像可以分解爲紅、綠、藍三個元素。亮度和色度元素被稱爲YUV（模擬信號）或YCbCr（數字信號）而不是RGB。
一旦被分開，色度分辨率會通過一個叫做“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，這是因爲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，因爲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值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像素圖像的分辨率。
亮度分辨率
色度分辨率4:4:4
色度分辨率4:1:1
色度分辨率4:2:0
使用標準的命名規則，4:2:2意味着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意味着每4個亮度值對應1個色度值，4:4:4意味着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意味着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分辨率，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。數字技術那是起也變得更復雜。不過取樣只是簡單的減少圖像的色彩分辨率的寬度，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，藍光碟成爲了趨勢。最後，在進行現代數字編碼時，爲其提供4:4:4採樣的數據，能極大程度的改善編碼後的圖像質量。
在最近十年中，視頻工程師發現人眼對色度的敏感程度要低於對亮度的敏感程度。在生理學中，有一條規律，那就是人類視網膜上的視網膜杆細胞要多於視網膜錐細胞，說得通俗一些，視網膜杆細胞的作用就是識別亮度，而視網膜錐細胞的作用就是識別色度。所以，你的眼睛對於亮和暗的分辨要比對顏色的分辨精細一些。正是因爲這個，在我們的視頻存儲中，沒有必要存儲全部顏色信號。既然眼睛看不見，那爲什麼要浪費存儲空間（或者說是金錢）來存儲它們呢？
像Beta或VHS之類的消費用錄像帶就得益於將錄像帶上的更多帶寬留給黑—白信號（被稱作“亮度”），將稍少的帶寬留給彩色信號（被稱作“色度”）。
在MPEG2（也就是DVD使用的壓縮格式）當中，Y、Cb、Cr信號是分開儲存的（這就是爲什麼分量視頻傳輸需要三條電纜）。其中Y信號是黑白信號，是以全分辨率存儲的。但是，由於人眼對於彩色信息的敏感度較低，色度信號並不是用全分辨率存儲的。
色度信號分辨率最高的格式是4:4:4，也就是說，每4點Y採樣，就有相對應的4點Cb和4點Cr。換句話說，在這種格式中，色度信號的分辨率和亮度信號的分辨率是相同的。這種格式主要應用在視頻處理設備內部，避免畫面質量在處理過程中降低。當圖像被存儲到MasterTape，比如D1或者D5的時候，顏色信號通常被削減爲4:2:2
色度信號分辨率最低的格式，也就是DVD所使用的格式，就是4:2:0了。事實上4:2:0是一個混亂的稱呼，按照字面上理解，4:2:0應該是每4點Y採樣，就有2點Cb和0點Cr，但事實上完全不是這樣。事實上，4:2:0的意思是，色度採樣在每條橫向掃描線上只有亮度採樣的一半，掃描線的條數上，也只有亮度的一半！換句話說，無論是橫向還是縱向，色度信號的分辨率都只有亮度信號的一半。舉個例子，如果整張畫面的尺寸是720*480，那麼亮度信號是720*480，色度信號只有360*240。在4:2:0中，“缺失”的色度採樣不單單要由左右相鄰的採樣通過內插補點計算補充，整行的色度採樣也要通過它上下兩行的色度採樣通過內插補點運算獲得。這樣做的原因是爲了最經濟有效地利用DVD的存儲空間。誠然，4:4:4的效果很棒，但是如果要用4:4:4存儲一部電影，我們的DVD盤的直徑至少要有兩英尺（六十多釐米）！
轉自：http://www.vmovier.com/45052?from=backstage_left
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