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크로마 서브샘플링

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목차

1. 개요

크로마 서브샘플링은 컬러 텔레비전 개발을 위해 개발된 기술로, 인간의 시각 특성을 활용하여 영상 데이터의 용량을 줄이는 방식이다. 사람의 눈이 밝기 변화에 둔감하다는 점에 착안하여, 밝기 정보(루마)와 색상 정보(색차)를 분리하여 색상 정보를 더 낮은 해상도로 샘플링한다. 이는 Y'CbCr과 같은 색 공간에서 4:2:2, 4:2:0 등의 비율로 표현되며, 압축 효율을 높여 파일 크기를 줄이고 전송 시간을 절약한다. 다양한 서브샘플링 방식이 존재하며, 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 등이 널리 사용된다. 크로마 서브샘플링은 감마 휘도 오류, 색역 클리핑과 같은 아티팩트를 발생시킬 수 있으며, 이를 개선하기 위한 연구가 진행 중이다.

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크로마 서브샘플링
색차 서브샘플링
색차 서브샘플링 설명
다양한 색차 서브샘플링 방식 예시. 왼쪽 위부터 시계방향으로 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1.
개요
유형4:4:4
4:2:2
4:2:0
4:1:1
설명
용도비디오 시스템
디지털 사진

2. 역사적 배경

크로마 서브샘플링은 1950년대 RCA의 컬러 텔레비전 개발 과정에서 Alda Bedford에 의해 개발되었으며, 이는 NTSC 표준으로 발전하였다.[1] 휘도-크로마 분리는 1938년 조르주 발렌시에 의해 더 일찍 개발되었다.[1] 연구를 통해, 그는 인간의 눈이 흑백에 대해서만 높은 해상도를 가지며, 노란색과 녹색과 같은 "중간 범위" 색상에 대해서는 약간 낮고, 스펙트럼의 끝 부분인 빨간색과 파란색에 대해서는 훨씬 낮다는 것을 보여주었다.[1] 이 지식을 바탕으로 RCA는 카메라에서 나오는 파란색 신호의 대부분을 버리고 녹색의 대부분과 빨간색의 일부만 유지하는 시스템을 개발할 수 있었다.[1] 이는 YIQ 색 공간에서 크로마 서브샘플링이며, 휘도, 노란색/녹색, 빨간색/파란색에 대한 해상도가 감소한다는 점에서 대략 4:2:1 서브샘플링과 유사하다.[1]

3. 이론

사람의 눈은 밝기 변화를 느끼는 간상세포가 9천만 개 이상 존재하는데 비해, 색상을 인식하는 원추세포는 약 600만 개 정도에 불과하다. 따라서 사람의 시각은 밝기 변화에 비해 색상 변화에는 둔감하다는 특성을 보인다. 많은 영상 시스템은 밝기 정보와 색상 정보를 분리하여 별도로 부호화하여 압축 효율을 높인다. 이때 밝기 정보는 루마 컴포넌트, 색상에서 명도를 제외한 정보를 색차 컴포넌트라고 한다. 명도-색차 정보를 사용하는 대표적인 색공간 표현법으로는 Y'CbCr이 있다. 원래의 영상 정보를 (4:4:4) R'G'B'로 표현하는 것과 비교하면, 4:2:2 Y'CbCr의 경우 2/3, 4:2:0 Y'CbCr의 경우는 절반만을 필요로 하기 때문에, 용량을 크게 절약할 수 있다. 이러한 감소는 상대적으로 사람이 잘 느끼지 못한다.

[[File:Colorcomp.jpg|전체 크기]]에서 이 이미지는 네 가지 서브샘플링 방식 간의 차이점을 보여줍니다. 색상 이미지가 얼마나 유사하게 보이는지 확인하세요. 아래 행은 색상 정보의 해상도를 보여줍니다.


디지털 신호는 파일 크기를 줄이고 전송 시간을 절약하기 위해 종종 압축된다. 인간의 시각 시스템은 색상보다 밝기 변화에 훨씬 더 민감하기 때문에, 비디오 시스템은 색상 차이 성분인 '''Cb'''와 '''Cr'''보다 루마 성분(일반적으로 Y'로 표시)에 더 많은 대역폭을 할당하여 최적화할 수 있다. 압축된 이미지에서, 예를 들어 4:2:2 Y'CbCr 방식은 비서브샘플링된 "4:4:4" R'G'B'의 2/3 대역폭을 필요로 한다.[38] 이러한 감소는 시청자가 인지하는 시각적 차이가 거의 없다.

일반적인 관찰 거리에서는 더 낮은 비율, 즉 더 낮은 해상도로 색상 정보를 샘플링함으로써 인식 가능한 손실이 발생하지 않는다. 비디오 시스템에서는 색차 성분을 사용하여 이를 구현할 수 있다. 신호는 루마 (Y') 성분과 두 개의 색차 성분(크로마)으로 나뉜다. 다양한 필터를 사용하여 해상도를 낮춘 크로마 값을 얻을 수 있다.

루마(Y')는 계산에 "감마 보정"이 개입하여 휘도(Y, luminance영어)와 다르므로, 프라임 기호를 붙여 구분한다. 감마 보정된 신호는 밝은 레벨보다 어두운 레벨에 더 많은 레벨을 할당함으로써 인간 시각의 대수 감도를 에뮬레이트하는 이점이 있다. 이 결과, 원본 이미지의 자극치 신호인 R'G'B' 입력에서 널리 사용된다. sRGB, 텔레비전의 Rec. 601, Rec. 709 및 Rec. 2020 등이 이러한 색 공간의 예이며, 이 개념은 Rec. 2020의 "광학 전달 함수"에서 일반화되어 있다.

4. 서브샘플링의 동작 원리

인간의 시각 계통은 밝기 차이에 비해 색상의 변화에 덜 민감하기 때문에, 색상 정보의 해상도를 낮춰도 화질 저하를 크게 느끼지 못한다.[40] 비디오 시스템에서는 루마 (Y') 컴포넌트와 두 개의 크로마 (Cb, Cr) 컴포넌트로 신호를 분리하여 처리한다. 색차 컴포넌트에 대해 낮은 해상도로 샘플링을 수행하여 데이터 양을 줄인다.

디지털 신호는 파일 크기를 줄이고 전송 시간을 절약하기 위해 압축되는 경우가 많다. 인간의 시각 시스템은 색상보다 밝기 변화에 훨씬 더 민감하기 때문에, 비디오 시스템은 색차 성분 Cb 및 Cr보다 루마 성분(일반적으로 Y'로 표기)에 더 많은 대역폭을 할당하여 최적화할 수 있다. 예를 들어, 압축된 이미지에서 4:2:2 Y'CbCr 방식은 비서브샘플링된 4:4:4 R'G'B'의 2/3 대역폭만 필요로 한다. 이러한 대역폭 감소는 이미지를 보는 사람이 감지하는 시각적 차이를 거의 발생시키지 않는다.

일반적인 관찰 거리에서는 낮은 해상도로 색상 정보를 샘플링하여도 인식 가능한 손실이 발생하지 않는다. 신호는 루마 (Y') 성분과 두 개의 크로마 성분으로 나뉘며, 다양한 필터를 사용하여 해상도를 낮춘 크로마 값을 얻을 수 있다.

4. 1. 감마 및 전달 함수 관련 참고 사항

감마 인코딩된 휘도 Y'는 선형 휘도 Y와 혼동해서는 안 된다. 감마 인코딩의 존재는 프라임 기호 '로 표시된다.[2]

감마 보정 전자-광학 전달 함수(EOTF)는 인간 시각의 비선형적 반응 때문에 사용된다. 감마의 사용은 아날로그 시스템에서 인지된 신호 대 잡음비를 향상시키고, 디지털 시스템에서 보다 효율적인 데이터 인코딩을 가능하게 한다. 이 인코딩은 더 밝은 색상보다 어두운 색상에 더 많은 레벨을 사용하여 인간 시각의 민감도를 수용한다.[2] 루마(Y')는 계산에 "감마 보정"이 개입하여 휘도(Y, luminance영어)와 다르므로, 프라임 기호를 붙여 구분한다. 감마 보정된 신호는 밝은 레벨보다 어두운 레벨에 더 많은 레벨을 할당함으로써 인간 시각의 대수 감도를 에뮬레이트하는 이점이 있다. 이 결과, 원본 이미지의 자극치 신호인 R'G'B' 입력에서 널리 사용된다. sRGB, 텔레비전의 Rec. 601, Rec. 709 및 Rec. 2020 등이 이러한 색 공간의 예이며, 이 개념은 Rec. 2020의 "광학 전달 함수"에서 일반화되어 있다.

5. 샘플링 시스템과 비율

서브샘플링 방식은 J:a:b (예: 4:2:2) 또는 J:a:b:Alpha (예: 4:2:2:4)와 같은 비율로 표현된다. 각 비율은 다음을 의미한다.


  • J: 수평 샘플링 기준 단위 (일반적으로 4).
  • a: J샘플 중 첫번째 행의 크로마(Cb,Cr) 샘플링 수.
  • b: J샘플에서 첫번째 행과 두번째 행의 크로마(Cb,Cr) 샘플이 변경된 수.
  • Alpha(알파): 수평값 (처음 숫자와 상대적). 알파 컴포넌트가 존재하지 않으면 생략 가능.


예를 들어,

  • 4:2:2는 4X2픽셀 영역에서 첫 번째 열 4픽셀의 루마(Y') 4개에 대해 크로마 2개((Cb,Cr)1, (Cb,Cr)2), 두 번째 열 4픽셀의 루마(Y')4개에 대해 크로마 2개((Cb,Cr)3, (Cb,Cr)4)를 가진다.
  • 4:2:0는 4X2픽셀 영역에서 첫 번째 열 4픽셀의 루마(Y') 4개에 대해 크로마 2개((Cb,Cr)1, (Cb,Cr)2), 두 번째 열 4픽셀의 루마(Y')4개에 대해 크로마 0개(b=0)를 가지며, 이때 첫번째 행의 크로마 값을 이용한다.


4:4:4(또는 4:4:4:4)에 상대적인 요구 대역값을 계산하려면 모든 값을 더해 그 결과값을 12(알파값이 존재하면 16)로 나누어야 한다.

주요 크로마 서브샘플링 방식
방식설명루마 대비 크로마 해상도4:4:4 대비 대역폭
4:4:4각 픽셀에 루마와 크로마 정보 모두 포함동일100%
4:2:22개의 수평 픽셀마다 1개의 크로마 샘플수평 1/2, 수직 동일66.7%
4:2:02x2 픽셀 블록마다 1개의 크로마 샘플수평 1/2, 수직 1/250%
4:1:14개의 수평 픽셀마다 1개의 크로마 샘플수평 1/4, 수직 동일33.3%



디지털 신호는 파일 크기를 줄이고 전송 시간을 절약하기 위해 종종 압축된다. 인간의 시각은 색상보다 밝기 변화에 더 민감하므로, 비디오 시스템은 루마 성분(Y')에 더 많은 대역폭을 할당한다. 압축된 이미지에서 4:2:2 Y'CbCr 방식은 비서브샘플링된 4:4:4 R'G'B'의 2/3 대역폭을 필요로 한다.

6. 서브샘플링의 종류

서브샘플링 방식은 보통 J:a:b (예: 4:2:2) 또는 J:a:b:Alpha (예: 4:2:2:4) 형태로 표현된다. 각 숫자의 의미는 다음과 같다.


  • J: 수평 샘플링 기준 단위 (일반적으로 4).
  • a: J 픽셀의 첫 번째 행에 있는 크로마(Cb, Cr) 샘플 수.
  • b: J 픽셀의 첫 번째 행과 두 번째 행 간의 크로마(Cb, Cr) 샘플 변화량.
  • Alpha(알파): 수평 계수 (첫 번째 숫자와 관련). 알파 구성 요소가 없으면 생략 가능.


4:4:4(또는 4:4:4:4)를 기준으로 필요한 대역폭을 계산하려면, 모든 값을 더하고 12(알파가 있으면 16)로 나눈다.

시각은 색상 정보(색상 및 채도)를 휘도(이미지의 밝기/어두움 정보)의 약 3분의 1 해상도로 처리한다. 따라서 우수한 화질을 유지하면서 색상 정보를 더 낮은 해상도로 샘플링하는 것이 가능하다. 이는 RGB 이미지 데이터를 합성 흑백 이미지로 인코딩하여 분리된 색차 데이터(크로마)와 함께 수행된다. 예를 들어 Y'CbCr의 경우, 감마 인코딩된 R'G'B' 구성 요소는 가중치를 부여한 다음 합산하여 루마 Y' 구성 요소를 생성한다. 색차 구성 요소는 가중치가 적용된 R'G'B' 구성 요소 중 두 개를 다른 하나에서 빼서 생성한다. 다양한 필터링 방법을 사용하여 해상도를 제한할 수 있다.

주요 서브샘플링 방식 비교
방식설명J:a:b 표기특징
4:4:4모든 픽셀에 대해 루마(Y')와 크로마(Cb, Cr) 정보를 모두 가짐.4:4:4최고 화질, 압축 없음.
4:2:2수평 방향으로 루마 대비 크로마 샘플 수가 절반.4:2:2고화질, 약간의 압축.
4:2:0수평, 수직 방향 모두 루마 대비 크로마 샘플 수가 절반.4:2:0중간 화질, 높은 압축률.
4:1:1수평 방향으로 루마 대비 크로마 샘플 수가 1/4.4:1:1낮은 화질, 매우 높은 압축률.



4:1:0, 4:2:1, 3:1:1 등과 같이 J:a:b 표기법으로 표현할 수 없는 예외적인 경우도 있다.

서로 다른 크로마 서브샘플링 방식을 설명하는 그림은 이 링크를 통해 확인할 수 있다.

6. 1. 8:4:4 Y'CbCr

두 개의 크로마(Cb, Cr) 컴포넌트는 같은 샘플 속도를 가지며, 루미넌스는 크로마 컴포넌트보다 두 배 정도의 해상도를 가진다. 이러한 방식은 하이엔드 필름 스캐너, 데이터사인, 텔레시네, 컬러 그레이딩에 가끔 쓰인다. NTSC에서 이 방식은 10 MHz 정도의 루마와 5 MHz 정도의 크로마 해상도를 가진다. (세 개 모두 5 MHz의 해상도를 가지고 있는 4:4:4와 비교됨) 이러한 대역을 전달하려면 두 개의 링크(컴포넌트)가 필요하다. 이러한 링크들은 링크 A, 링크 B라고 부른다. 각 링크는 4:2:2 신호를 전달하며 합해서 8:4:4를 만들어 낸다. 다운 샘플 변환기는 나중에 8:4:4를 4:4:4나 4:2:2로 변환한다.

6. 2. 4:4:4 Y'CbCr

Y'CbCr의 세 가지 구성 요소는 모두 같은 샘플 속도를 가지므로, 크로마 서브샘플링이 없다. 이 방식은 하이엔드 필름 스캐너와 영화 후반 작업에 사용된다.

"4:4:4"는 암묵적으로 크로마 서브샘플링이 수행되지 않는 R'G'B' 색 공간을 나타내는 경우가 있다. HDCAM-SR 등의 형식에서는 듀얼 링크 HD-SDI를 통해 4:4:4 R'G'B'를 녹화할 수 있다.[2]

6. 3. 4:4:4 R'G'B' (서브샘플링 없음)

"4:4:4"는 크로마 서브샘플링을 아예 하지 않는 RGB 색 공간을 가리킬 수도 있다. HDCAM SR과 같은 포맷은 듀얼 링크 HD-SDI를 통해 4:4:4 R'G'B'를 기록할 수 있다.

세 개의 Y'CbCr 구성 요소는 각각 동일한 샘플링 속도를 가지므로 크로마 서브샘플링이 없다. 이 방식은 고급 필름 스캐너 및 영화 후반 작업에 종종 사용된다.

"4:4:4"는 R'G'B' 색 공간을 잘못 지칭할 수도 있으며, 이는 암묵적으로 크로마 서브샘플링이 없음을 의미한다(JPEG에서 R'G'B'는 서브샘플링될 수 있다는 점 제외).

6. 4. 4:2:2

4:2:2 방식은 두 개의 크로마 컴포넌트가 루마 샘플 속도의 절반으로 샘플링되어, 수평 크로마 해상도가 절반으로 줄어드는 방식이다. 이 방식은 영상 신호의 대역폭을 3분의 1만큼 줄여주지만, 시각적으로는 거의 무손실에 가깝다.

인간의 시각 시스템은 색상보다 밝기 변화에 더 민감하기 때문에, 비디오 시스템은 루마(Y') 성분에 더 많은 대역폭을 할당하여 최적화할 수 있다. 압축된 이미지에서 4:2:2 Y'CbCr 방식은 비서브샘플링된 "4:4:4" RGB의 3분의 2 대역폭만 필요로 한다. 이러한 감소는 시청자가 인지하는 시각적 차이가 거의 없다.

4:2:2 방식은 다음과 같은 다양한 하이엔드 디지털 비디오 포맷과 인터페이스에서 사용된다.

포맷/인터페이스
AVC-Intra 100
디지털 베타캠
베타캠-SX
DVCPRO50, DVCPRO HD
디지털-S
CCIR 601 / 시리얼 디지털 인터페이스 / D1-VTR
ProRes (HQ, 422, LT, 및 Proxy)
XDCAM HD422
Canon MXF HD422


6. 5. 4:2:1

4:2:1 방식은 기술적으로 정의되어 있지만, 이 샘플링 방식을 사용하는 소프트웨어나 하드웨어는 많지 않다. Cb의 수평 해상도는 Cr의 수평 해상도보다 두 배 낮다.(또 Y의 수평 해상도보다 4배 낮다) 이는 사람의 눈이 빨간색보다 파란색에 덜 민감하다는 사실에서 비롯한다.

4:2:1은 J:a:b 표기법으로 표현할 수 없다. "4:2:1"은 이전 표기 방식에서 폐지된 용어이며, 극히 소수의 소프트웨어나 하드웨어 코덱이 이 방식을 채택하고 있다.

6. 6. 4:1:1

4:1:1 크로마 서브샘플링은 수평 색상 해상도를 4분의 1로 줄이는 방식이다. 이 방식을 사용하면 대역폭은 크로마 서브샘플링을 하지 않은 것에 비해 절반이 된다. 전문가들은 DV의 4:1:1 크로마 서브샘플링이 처음에는 방송 품질을 고려하지 않고 일반 소비자를 대상으로 한 것이라고 언급했다.[3][4] 현재 DV 기반 포맷(4:1:1 크로마 서브샘플링 사용)은 전자 뉴스 수집(ENG) 등에 전문적으로 사용되고 있다.

4:1:1 크로마 서브샘플링을 사용하는 포맷은 다음과 같다:

  • DVCPRO (NTSC와 PAL)
  • NTSC DV, DVCAM
  • D-7


480i "NTSC" 시스템에서 루마가 13.5 MHz로 샘플링되면, '''Cr'''과 '''Cb''' 신호는 각각 3.375 MHz로 샘플링되어 최대 나이퀴스트 대역폭은 1.6875 MHz가 된다. 기존의 "고급 방송 NTSC 인코더"는 YIQ 채널에 대해 1.5 MHz 및 0.5 MHz의 나이퀴스트 대역폭을 가졌지만, 저렴한 TV나 VHS/베타맥스 VCR에서는 크로마 채널 대역폭이 '''Cr'''과 '''Cb''' 모두 0.5 MHz에 불과했다. DV 시스템은 전체 디지털 신호 크로마 대역폭의 4분의 1만 사용하지만, NTSC의 최고 컴포지트 아날로그 사양보다 우수한 색상 대역폭을 제공한다.

6. 7. 4:2:0

4:2:0 방식에서 Cb와 Cr은 수평 및 수직 방향 모두에서 2의 배수로 서브샘플링된다. 이 방식은 MPEG, DVD, PAL DV, HDV, JPEG/JFIF 등 다양한 분야에서 널리 사용된다.[34][35]

4:2:0 방식에는 다음과 같이 서로 다른 수평 및 수직 구획을 갖는 세 가지 주요 변형이 존재한다.[36]

  • MPEG-2: Cb와 Cr은 수평으로 같은 위치에 배치되지만, 수직으로는 서로 엇갈리게 배치된다.
  • JPEG/JFIF, H.261, MPEG-1: Cb와 Cr은 픽셀 간 루마 샘플 중간에 불규칙하게 배치된다.
  • 4:2:0 DV: 수평으로는 같은 위치에 배치되지만, 수직 방향으로는 한 줄마다 같은 위치에 배치된다.


PAL 및 SECAM 색 시스템은 이러한 종류의 데이터 감소에 특히 적합하다. PAL에 해당하는 대부분의 디지털 영상 포맷은 4:1:1 크로마 서브샘플링을 사용하는 DVCPRO25를 제외하고, 4:2:0 크로마 서브샘플링을 사용한다.

비월 주사 방식을 사용할 경우, 4:2:0 크로마 서브샘플링은 순차 주사 방식과 같은 방식으로 처리하면 움직이는 장면에서 깨짐 현상이 발생할 수 있다. 이는 루마 샘플은 서로 다른 시간 간격에서 가져오지만, 크로마 샘플은 두 시간 간격을 모두 참조하기 때문이다. MPEG-2 표준은 이러한 문제를 해결하기 위해 각 필드에 4:2:0을 적용하는 비월 주사 방식 샘플링 방식을 제공한다.

4:2:0 순차 주사 방식에서는 크로마 샘플이 2x2 대신 세로 4, 가로 2 샘플을 효과적으로 표현하므로, 크로마의 수직 해상도가 거의 절반이 된다. 이로 인해 두 필드 사이의 공간이 제거되면서 벌집 모양의 크로마 깨짐(아티팩트) 현상이 나타날 수 있다.

6. 8. 4:1:0

4:1:0은 일부 코덱이 지원하지만 널리 쓰이지는 않는 방식이다. 8비트 양자화에서 이 포맷을 사용한 압축되지 않은 영상은 매크로픽셀(4x2 픽셀)마다 10바이트를 사용한다. 이는 딜레이 라인 디코더로 디코딩된 PAL I 신호의 색차 대역과 같으며 NTSC보다 월등하다.

일부 영상 코덱은 4:1:0.5나 4:1:0.25로 동작하는 옵션을 가지고 있어서 너무 많은 대역을 사용하지 않아도 VHS 품질 이상의 화질을 허용한다.

6. 9. 3:1:1

3:1:1은 소니사가 개발한 HDCAM의 HD 레코더(HDCAM SR 아님)에 사용되는 비율이다. 수평 크기에서 루마는 풀 HD 샘플링 레이트의 3/4로 샘플링된다(1920 대신 1440). 크로마는 한 줄에 480개의 샘플(루마 샘플링 레이트의 1/3)로 샘플링된다.

수직 크기로는 루마와 크로마 둘 다 풀 HD 샘플링 레이트(수직으로 1080개의 샘플)로 샘플링된다.[2]

6. 10. 서로 다른 Cb 및 Cr 비율

과거의 많은 방식은 CCIR M 방식과 같이 두 색차 신호에 서로 다른 양의 대역폭을 할당하는 방식과 유사하게, Cb와 Cr에 서로 다른 서브샘플링 비율을 허용한다. 이러한 방식들은 ''J:a:b'' 표기법으로 표현할 수 없다. 대신, 각 부분이 해당 성분의 해상도 양을 설명하는 ''Y:Cb:Cr'' 표기법을 사용한다. 해상도 감소가 수평 방향으로 발생하는지 수직 방향으로 발생하는지는 명시되어 있지 않다.

  • JPEG에서 4:4:2와 4:2:1은 4:4:4 및 4:4:0에 비해 ''Cb''의 수직 해상도를 절반으로 줄인다.
  • 4:2:1의 다른 버전에서는 '''Cb'''의 수평 해상도가 '''Cr'''의 절반(그리고 '''Y'''의 수평 해상도의 1/4)이다.
  • 4:1:0.5 또는 4:1:0.25는 VHS 화질과 유사하게 Cb의 수평 해상도를 줄인 4:1:0의 변형이다.

7. 아티팩트

크로마 서브샘플링은 인간의 시각 계통이 밝기 차이보다 색의 변화에 덜 민감하다는 점을 이용하여 대역폭을 최적화하는 기술이다.[40] 일반적인 상황에서 낮은 해상도로 색 정보를 샘플링해도 눈에 띄는 화질 저하는 발생하지 않는다. 비디오 시스템에서는 이러한 특성을 활용하여 신호를 루마 (Y')와 두 개의 크로마 (Cb, Cr) 컴포넌트로 나누고, 크로마 컴포넌트의 해상도를 낮추는 방식으로 압축을 수행한다.

디지털 신호는 파일 크기를 줄이고 전송 시간을 절약하기 위해 압축되는 경우가 많다. 인간의 시각 시스템은 색상보다 밝기 변화에 훨씬 더 민감하기 때문에, 비디오 시스템은 색차 성분(Cb, Cr)보다 루마(Y') 성분에 더 많은 대역폭을 할당하여 최적화할 수 있다. 예를 들어, 압축된 이미지에서 4:2:2 Y'CbCr 기법은 서브샘플링되지 않은 4:4:4 R'G'B'의 3분의 2의 대역폭만 필요로 한다. 이러한 대역폭 감소는 이미지를 보는 사람이 감지하는 시각적 차이를 거의 발생시키지 않는다.

하지만 크로마 서브샘플링은 특정한 경우 두 가지 주요 유형의 시각적 결함(아티팩트)을 발생시킬 수 있으며, 이는 색상이 급격하게 변하는 부분에서 두드러지게 나타난다.

7. 1. 감마 휘도 오류

감마 보정된 신호(예: Y'CbCr)에서는 색차 오류가 휘도에 "번지는" 문제가 발생한다. 이러한 신호에서 낮은 색차는 실제로 휘도가 동일한 색상보다 덜 밝게 보이게 한다.[20] 결과적으로 채도가 높은 색상이 채도가 낮거나 보색과 혼합될 때 경계에서 휘도 손실이 발생한다. 이는 자홍색과 녹색 사이의 예에서 흔히 볼 수 있다.[38]

경계선 근처의 밝기에서 번짐을 확인하십시오.


이 문제는 감마가 전달 함수 "EOTF"로 일반화된 HDR 비디오에서도 지속된다. 더 가파른 EOTF는 더 강한 휘도 손실을 보인다.[21]

이 문제에 대한 몇 가지 제안된 수정 사항은 다음과 같다.

  • 휘도 가중 평균 (Kornelski, mozjpeg 실험)[22]
  • WebP와 선택적으로 AVIF에서 사용되는 반복적인 '샤프 YUV' 방법. 샤프 YUV는 색차에 대한 쌍선형 업스케일링을 가정한다.[23]
  • 색차 서브샘플링 전에 선형 공간에서 RGB 서브샘플링 (HDRTools)[21]
  • 휘도 오류를 최소화하기 위한 반복적 또는 폐쇄 형식 휘도 보정 (HDRTools)[24]


원래 값에 더 가까운 서브샘플링된 값의 조합을 얻기 위해서는 감마 보정을 되돌려 계산한 다음 다시 감마 보정된 색 공간으로 돌아가야 한다. 휘도의 가중 평균을 사용하거나, WebP의 룩업 테이블이나, sjpeg의 "Sharp YUV" 기능을 반복적으로 사용하는 등의 보다 효율적인 근사도 가능하다.[39]

7. 2. 색역 클리핑

크로마 서브샘플링으로 인해 발생할 수 있는 문제는 크로마 재구성 시 색역 밖의 색상이 나타날 수 있다는 것이다. 예를 들어 이미지에 1픽셀 빨간색과 검은색 선이 번갈아 나타나고, 서브샘플링이 검은색 픽셀의 크로마를 생략한다고 가정해 보자. 그러면 빨간색 픽셀의 크로마가 검은색 픽셀에 재구성되면서 새로운 픽셀은 양의 빨간색과 ''음의'' 녹색 및 파란색 값을 갖게 된다.[20]

하지만 디스플레이는 음의 빛을 출력할 수 없으므로(음의 빛은 존재하지 않음) 이러한 음의 값은 효과적으로 클리핑되고 결과적인 루마((luma영어) 값은 너무 높아지게 된다. 다른 서브샘플링 필터(특히 평균 "상자")도 이와 유사한 문제를 가지며, 비교적 날카로운 빨간색/검은색 경계 근처의 그라데이션에서도 이와 유사한 인공 산물이 발생한다.[20]

8. 용어 설명

YUV와 YCbCr 용어는 혼용되어 사용되는 경우가 많지만, 엄밀히 말하면 YUV는 아날로그 인코딩 방식, Y'CbCr은 디지털 인코딩 방식을 지칭한다.[2] 두 방식의 차이점은 크로마 컴포넌트 (U, V, Cb, Cr)에 대한 크기값이 다르다는 점이다. 그러나 YUV라는 용어는 Y'CbCr 인코딩으로 (잘못) 사용되기도 한다. 그러므로 "4:2:2 YUV"와 같은 용어는 아날로그 인코딩에서 4:x:x와 같은 것이 없다는 단순한 이유 때문에 언제나 4:2:2 Y'CbCr을 가리킨다.[2]

루미넌스라는 용어와 기호 Y는 기호 Y'를 가진 루마로 (잘못) 불린다. 영상 공학의 루마 (Y')는 색채 과학의 루미넌스 (Y) (CIE에서 정의)에서 비롯한 것이다. 루마는 감마 보정된 RGB 컴포넌트 합으로 형성된다. 루미넌스는 선형(linear, tristimulus) RGB 컴포넌트의 합으로 형성된다.[27]

현실적으로 CIE 기호 Y는 루마로 잘못 불린다. 1993년에 SMPTE는 이 두 용어를 명확하게 구분해 둔 Engineering Guideline EG 28을 채용하였다. 주된 기호 '는 감마 보정을 가리키는 데 사용된다.[27]

참조

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[2] 간행물 YUV and ''luminance'' considered harmful: A plea for precise terminology in video http://www.poynton.c[...]
[3] 웹사이트 DV vs. Betacam SP http://www.dvcentral[...] 2008-08-29
[4] 웹사이트 DV, DVCAM & DVCPRO Formats http://www.adamwilt.[...] 2008-08-29
[5] 뉴스 HDMI Enhanced Black Levels, xvYCC and RGB http://www.audioholi[...] Audioholics 2013-06-02
[6] 뉴스 Digital Color Coding http://www.telairity[...] Telairity 2013-06-02
[7] 웹사이트 The YJK screen modes http://map.grauw.nl/[...] 2022
[8] 서적 Issues on YJK colour model implemented in Yamaha V9958 VDP chip http://rs.gr8bit.ru/[...]
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[10] 서적 IC Master https://books.google[...] United Technical Publications 2001
[11] 학위논문 Arqueología informática: los ordenadores MSX en los inicios de la microinformática doméstica https://riunet.upv.e[...] Universitat Politècnica de València 2016-10-03
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[14] 학술저널 Schermen op MSX – De 2+ schermen http://www.msxarchiv[...] 1995
[15] 웹사이트 Chroma Subsampling Notation http://www.poynton.c[...] 2008-10-01
[16] 문서 enum AvChromaLocation https://ffmpeg.org/d[...] ffmpeg 3.1
[17] 웹사이트 y4minput.c - webm/libvpx - Git at Google https://chromium.goo[...]
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[19] 웹사이트 Support decoding yuv442 and yuv421 jpeg images. · FFmpeg/FFmpeg@387d860 https://github.com/F[...]
[20] 학술저널 Toward Better Chroma Subsampling: Recipient of the 2007 SMPTE Student Paper Award http://www.glennchan[...] 2008-05
[21] 학술저널 High Dynamic Range: Compression Challenges 2015-10
[22] 웹사이트 Gamma-correct chroma subsampling · Issue #193 · mozilla/mozjpeg https://github.com/m[...]
[23] 웹사이트 WebP: sharpyuv/sharpyuv.h {{!}} Fossies https://fossies.org/[...]
[24] 학회자료 HDR color conversion with varying distortion metrics https://norkin.org/p[...] 2016-09-27
[25] 뉴스 BT.2020: Parameter values for ultra-high definition television systems for production and international programme exchange https://www.itu.int/[...] International Telecommunication Union 2014-08-31
[26] 학술저널 Effective Content-Aware Chroma Reconstruction Method for Screen Content Images 2019-03
[27] 서적 Annotated Glossary of Essential Terms for Electronic Production https://ieeexplore.i[...]
[28] 웹사이트 H.273 : Coding-independent code points for video signal type identification https://www.itu.int/[...] 2016
[29] 서적 Vision models and applications to image and video processing Springer
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[31] Youtube 'Why 4K video looks better on a 1080p screen' https://www.youtube.[...]
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