Le sous-échantillonnage de chrominance implique la compression des informations de couleur dans les séquences vidéo, afin de réduire la taille de stockage globale et le débit binaire des fichiers vidéo. C'est une méthode utilisée sur plusieurs codecs vidéo, et la quantité de compression qui se produit est souvent exprimée sous la forme d'un ensemble de nombres tels que 4:2:2. Au lieu de vous servir de la soupe aux chiffres, assurons-nous que vous avez une explication de ce que cela signifie. Qu'il s'agisse de 4:4:4 ou 4:2:0, cette spécification peut avoir un impact profond sur une vidéo, en particulier pendant la post-production.
Pixels :les éléments de base de la vidéo
Afin de comprendre le sous-échantillonnage de la chrominance, il est important de comprendre comment une image est créée dans une image vidéo. Dans les termes les plus simples, une image vidéo est composée de pixels - des points solitaires alignés en rangées sur l'écran. Chaque pixel a une luminance et une chrominance spécifiques, toutes deux déterminées par les données qui définissent ce pixel. La luminance fait référence à la luminosité d'un pixel, elle crée un contraste et des détails dans l'image globale. Si les informations de luminance sont isolées, sans les informations de chrominance, l'image résultante sera en noir et blanc. Techniquement, ce serait en niveaux de gris, car il existe des profondeurs de contraste variables entre le noir pur et le blanc pur.
La chrominance est l'information de couleur d'un pixel, elle détermine si un pixel est rouge, vert, bleu ou quelque part entre les deux. Il existe plusieurs espaces colorimétriques par lesquels la couleur est rendue, indépendamment desquels, la méthode de base de sous-échantillonnage de chrominance est la même. Alors que la luminance peut rendre une image en noir et blanc lorsqu'elle est isolée, la chrominance rend le noir lorsqu'elle est isolée. Il dépend de la luminance pour créer une image. La chrominance est la donnée qui définit la couleur et la quantité de cette couleur représentée dans chaque pixel. Le sous-échantillonnage de chrominance est une réduction des informations de couleur. Il est obtenu grâce au partage de données pour un pixel sur un échantillon de plusieurs pixels, moins que ceux qui composent l'image entière.
L'œil humain
Le sous-échantillonnage de la chrominance est efficace et réussi, non seulement à cause de l'anatomie de la vidéo, mais à cause de l'œil humain et de la façon dont il voit les couleurs et interprète les images. L'œil humain est une partie remarquable du système nerveux central. Il est capable de capturer et de focaliser la lumière sur ses photorécepteurs et de transmettre les données de cette entrée visuelle au cerveau. Les photorécepteurs sont les cellules qui tapissent le fond de l'œil dans la rétine, là où la lumière est focalisée. Il existe deux types de base de cellules photoréceptrices :les bâtonnets et les cônes. Les bâtonnets sont très sensibles à la lumière et sont achromatiques, ce qui signifie qu'ils ne voient pas la couleur. Les cônes sont moins sensibles à la lumière mais sont chromatiques, capables de percevoir la couleur.
Il existe au moins 100 millions de cellules photoréceptrices, et moins de 20 % d'entre elles sont des cônes par rapport aux bâtonnets. C'est pourquoi l'œil humain est plus sensible à la luminance, à la luminosité et au contraste d'une image et moins sensible à la chrominance, aux informations de couleur d'une image. Lorsque les parties de luminance et de chrominance sont combinées pour créer l'image globale, une quantité dégradée ou compressée d'informations de chrominance n'est pas très perceptible. L'œil humain voit l'image globale, avec la netteté de cette image définie par la luminance et les informations de chrominance composées à l'intérieur. Le fait qu'il y ait moins d'informations détaillées dans la chrominance est ignoré par l'œil et l'image complète est perçue.
Comment fonctionne le sous-échantillonnage de chrominance ?
Pour que le sous-échantillonnage de chrominance fonctionne et que la taille des données d'une image soit réduite, les ingénieurs ont trouvé un moyen de partager les informations de chrominance sur une plage de pixels tout en conservant une quantité différente d'informations de luminance pour cette même plage de pixels. La sélection d'informations à partir d'une partie d'une image est connue sous le nom d'échantillonnage. Le sous-échantillonnage est la sélection de pixels spécifiques, mais pas de tous les pixels, pour déterminer les informations de chrominance utilisées comme représentatives de tous les pixels. Le sous-échantillonnage est une partie, ou une fraction, de l'échantillonnage global de la chrominance dans une image.
Le sous-échantillonnage de chrominance est exprimé sous la forme d'une formule numérique qui représente le rapport des pixels utilisés dans le sous-échantillonnage de ce clip. Ce rapport est représenté par trois nombres, séparés par des deux-points. Écrit, il apparaît sous la forme J:a:b, il s'agit d'un rapport de la largeur de pixel d'une région d'échantillonnage par rapport au nombre de pixels échantillonnés à partir de chaque ligne dans cette région d'échantillonnage. "J" est le nombre total représentatif de pixels dans la région d'échantillonnage horizontale. Dans la plupart des cas, "J" sera égal à quatre.
Les deux nombres suivants du rapport, les chiffres "a" et "b", font référence à la résolution verticale qui est échantillonnée dans la région d'échantillonnage "J". Le deuxième chiffre du rapport, la position "a", est le nombre de pixels échantillonnés parmi la première rangée de pixels telle que définie par "J". La position "b" du rapport est le nombre de pixels échantillonnés parmi la deuxième rangée de pixels dans la région "J". Il existe des codecs qui noteront une quatrième position dans le ratio, cela représente l'échantillonnage des pixels pour un canal alpha.
Taux de sous-échantillonnage de chrominance courants
4:4:4
Il s'agit de la plus haute qualité et il n'y a effectivement aucun sous-échantillonnage. Chaque pixel est représenté et conserve ses propres valeurs de luminance et de chrominance. Les meilleures caméras vidéo auront la capacité de produire une chrominance 4:4:4. Ce sont des outils de qualité professionnelle et leur prix est en conséquence.
4:2:2
L'échantillonnage de chrominance 4:2:2 échantillonne deux pixels des rangées supérieure et inférieure. Cela réduit les informations de chrominance à 50 % de la chrominance source non compressée. C'est l'un des échantillonnages les plus populaires et se trouve dans des codecs tels que AVC-Intra 100, Digital Betacam, Panasonic DVCPRO HD, Apple ProRes 422 et XDCAM HD422.
4:2:0
L'échantillonnage 4:2:0 plus réduit prend deux échantillons de chrominance de la rangée supérieure "a" de pixels et aucun de la rangée inférieure "b". Au lieu de cela, la ligne du bas partage les informations de choma de l'échantillonnage de la ligne du haut. Cela réduit les informations globales de chrominance à environ 25 % de la chrominance non compressée. La configuration de l'échantillonnage 4:2:0 est courante dans les séquences HDV, AVCHD, Apple Intermediate Codec et dans de nombreux formats vidéo encodés MPEG utilisés par les appareils photo reflex numériques.
4:1:1
Un échantillonnage de chrominance de 4:1:1 réduit également la quantité d'informations de chrominance à 25 %. Il prend un échantillon de la rangée de pixels « a » supérieure et un échantillon de la rangée de pixels « b » inférieure. Un échantillonnage de 4:1:1 est le taux d'échantillonnage trouvé dans DVCPRO, DVCAM et NTSC DV.
Qu'est-ce que tout cela signifie ?
Les décisions esthétiques d'un producteur vidéo sont limitées par les limites techniques de ses images. C'est pourquoi il est important de comprendre le sous-échantillonnage de la chrominance et ses effets sur les images. L'incrustation chromatique et l'étalonnage des couleurs sont deux processus de post-production qui sont affectés par le sous-échantillonnage de la chrominance.
Les séquences qui reposent fortement sur le sous-échantillonnage de la chrominance donneront de mauvais résultats lors de l'incrustation en chrominance. Un logiciel de composition vidéo est capable de créer de la transparence en sélectionnant une couleur particulière ou une gamme de couleurs dans un clip et en appliquant cette sélection à un canal alpha. Le canal alpha crée de la transparence dans l'image. La qualité des informations de couleur dans l'image est le principal facteur permettant d'obtenir une clé propre à partir d'images sur écran vert. Un éclairage inégal ou une uniformité des couleurs rendront plus difficile la création de zones nettes de transparence. Le sous-échantillonnage de la chrominance devient apparent dans les bords du métrage incrusté, car l'incrustation est basée sur les informations de chrominance partagées sur des blocs de pixels. Les séquences avec un sous-échantillonnage de chrominance équivalent à 4:1:1, ou moins, entraîneront des artefacts en bordure de bloc le long du bord de l'incrustation. Même les séquences avec un rapport de 4:2:2 contiendront des artefacts de bloc. Les touches les plus nettes proviennent de séquences au format 4:4:4 non compressé.
L'étalonnage des couleurs est le processus de post-production consistant à modifier la dynamique de la couleur dans les séquences pour atteindre un objectif esthétique. Parfois, l'étalonnage des couleurs est subtil avec des changements qui ne sont pas perceptibles. D'autres fois, les nuances de couleur sont drastiques avec des changements importants dans la couleur et la plage dynamique d'une image. Lorsque les informations de chrominance sont réduites en raison d'un sous-échantillonnage de chrominance, l'étalonnage dynamique des couleurs peut révéler des artefacts numériques dans le métrage. Cela se voit le plus souvent dans les bandes qui se produisent sur les dégradés de couleur. Au lieu d'une transition en douceur d'une couleur à la suivante, des bandes de couleur apparaissent comme des étapes graduées entre les deux couleurs.
Le raisonnement est simple :le sous-échantillonnage de la chrominance réduit la quantité d'informations de couleur entre deux régions d'une image. Au fur et à mesure que ces couleurs sont modifiées par l'étalonnage des couleurs, les étapes de couleur entre elles - le sous-échantillonnage de la chrominance, deviennent plus apparentes. C'est comme s'ils étaient allongés. C'est une autre raison pour laquelle les producteurs qui travaillent sur des projets commerciaux, qui nécessitent des nuances de couleurs intenses, choisissent de travailler avec des séquences de la plus haute qualité permise par leurs budgets.
Accéder à la sortie 4:4:4
Le sous-échantillonnage de chrominance aide à compresser la taille globale des fichiers vidéo, mais ces fichiers peuvent être plus difficiles à utiliser en post-production. C'est quelque chose dont il faut être conscient lorsque ce métrage est utilisé pour un travail sur écran vert, des effets visuels et un étalonnage des couleurs sérieux. Il y a plus de latitude pour ce qui peut être fait avec les séquences en post-production lorsqu'il y a une plus grande quantité d'informations de couleur dans l'image. La meilleure option pour toute vidéo enregistrée et traitée est d'avoir une vidéo non compressée avec un sous-échantillonnage de chrominance de 4:4:4.
Le problème réside dans le fait que la plupart des caméras enregistrent en interne sur des supports à semi-conducteurs, ce qui nécessite une vidéo compressée avec un sous-échantillonnage de chrominance de 4:2:2 ou moins. La plupart des caméras vidéo et des reflex numériques ont une sortie vidéo, telle que SDI ou HDMI. Selon le capteur d'image de la caméra, ainsi que son processeur d'image, il peut avoir la capacité de produire une vidéo avec un sous-échantillonnage de chrominance 4:4:4. Lorsque cette sortie vidéo est couplée à un appareil d'enregistrement externe ou à un ordinateur équipé d'une carte de capture vidéo haut de gamme et du logiciel correspondant, elle devient un outil puissant.
Si la caméra est capable de produire une vidéo couleur 4:4:4 et qu'un appareil d'enregistrement externe capable d'enregistrer le signal est connecté, la vidéo résultante sera mieux adaptée aux processus de post-production. C'est pourquoi sur de nombreux tournages d'effets visuels en studio, comme la capture d'écran vert, il y a une grande plate-forme de caméra qui est attachée à un ordinateur. Le manuel technique d'un appareil photo est le meilleur endroit pour savoir s'il est capable de produire des couleurs 4:4:4. Les forums en ligne dédiés aux meilleures caméras vidéo auront des discussions approfondies sur les meilleures façons de produire des vidéos non compressées.
Savoir ce qu'il y a sous la peau
Un producteur doit connaître les limites techniques de ses images et ce qu'il peut en faire. Il existe de nombreuses situations de prise de vue dans lesquelles il est avantageux de capturer des images qui reposent fortement sur le sous-échantillonnage de la chrominance afin de compresser l'image, d'économiser de l'espace et de réduire les dépenses. Il existe également des situations où il est essentiel d'acquérir des images de la plus haute résolution possible, des images non compressées sans sous-échantillonnage de chrominance.
Le sous-échantillonnage de la chrominance fait partie de l'anatomie cachée de la vidéo, travaillant dans son corps hôte. En ayant une solide connaissance de ce qu'est le sous-échantillonnage de chrominance, les producteurs sont mieux préparés à soigner leur vidéo et à obtenir les résultats qu'ils souhaitent.
Chris "Ace" Gates est un écrivain et producteur de contenu lauréat d'un Emmy Award.