نمونه‌برداري رنگي در ويديو چيست و انواع ۴:۴:۴ و ۴:۲:۲ و ۴:۲:۰ چه تفاوتي دارند؟

مولفه‌هاي متفاوتي براي انتخاب توانمندترين دوربين فيلمبرداري وجود دارد. همانطور كه عملكرد دوربين‌هاي ديجيتال در بخش عكاسي تنها به رزولوشن سنسور و ابعاد پيكسل‌ها باز نمي‌گردد، در بخش فيلمبرداري نيز تنها رزولوشن و نرخ ويديو‌ها تعيين‌كننده‌ي توانايي دوربين نيستند. مولفه‌هاي مختلفي در اين زمينه وجود دارد كه تفاوت زيادي در كيفيت نهايي كليپ‌هاي ضبط شده ايجاد مي‌كنند. 

به طور ساده، پيكسل‌ها براي نمايش تصاوير به دو مولفه نياز دارند؛ روشنايي (Luma) و رنگ (Chroma). با دادن اطلاعات دقيق در خصوص هر يك از مولفه‌هاي مذكور، مجموع پيكسل‌ها قادر به نمايش دقيق رنگ‌ها خواهند شد. اگر داده‌‌اي در خصوص روشنايي ثبت نشود، تصويري كاملا سياه ثبت و در صورتي كه اطلاعات مربوط به رنگ در دسترس نباشد، خروجي تصويري سياه و سفيد خواهد شد.

در حالت ايده‌آل تصويربرداري، دوربين مي‌تواند روشنايي و رنگ هر يك از پيكسل‌ها را به صورت جداگانه تعيين كند. اما اين موضوع منجر به افزايش قابل توجه نرخ بيت و حجم نهايي فايل مي‌شود. در همين راستا مهندسان به مطالعه مولفه‌هاي مذكور پرداختند تا در صورت امكان اقدام به فشرده‌سازي يا بهينه‌سازي آن‌ها كنند. به دليل اهميت Luma، اين مولفه براي همه‌ي پيكسل‌ها به صورت جداگانه ثبت مي‌شود. اما امكان استفاده‌ي چند پيكسل مجاور هم از يك رنگ، نتيجه‌ي مطالعه مهندسان در رابطه با تاثير Chroma بود. در همين راستا و براي ساده‌سازي پردازش تصاوير، روش‌هاي نمونه‌برداري رنگي ايجاد شد.

اگر سابقه‌ي مطالعه مشخصات متخصص دوربين‌هاي حرفه‌اي را داريد، قطعا تاكنون با عبارت‌هايي مانند ۴:۴:۴، ۴:۲:۲ يا ۴:۲:۰ روبرو شده‌ايد. اين عبارت كه نشانگر هر يك از پارامتر‌هاي j:a:b‌ هستند، بيان‌كننده‌ي توانايي دوربين در بخش نمونه‌برداري رنگي است. اما عبارات مذكور چه معنايي دارند؟ 

توليدكنندگان دوربين‌هاي حرفه‌اي از الگوريتم‌هاي مختلفي براي رنگ‌برداري استفاده مي‌كنند. اما رايج‌ترين آن‌ها، استفاده از دو پيكسل افقي مشابه در كنار هم است. در همين راستا براي معرفي توانايي دوربين عموما از عدد ۴ (مولفه‌ي j در سمت چپ) استفاده مي‌كنند كه به معناي چهار پيكسل كنار هم است. عدد دوم (مولفه‌ي a) به معناي تعداد پيكسل‌ها رديف بالايي است كه از رنگ‌برداري مستقلي بهره مي‌برند. 

در برخي الگوريتم‌ها علاوه‌بر پيكسل‌هاي مجاور افقي، نمونه‌هاي مجاور عمودي نيز از رنگ‌برداري مشابهي بهره مي‌برند به همين دليل براي معرفي توانايي رنگ‌برداري دوربين‌ها در كنار چهار پيكسل افقي، عملكرد چهار پيكسل ديگر در رديف پاييني نيز بيان مي‌شود. عدد سوم (مولفه‌ي b در سمت راست) بيان‌گر تعداد پيكسل مستقل در رديف پاييني است.

نمونه‌برداري رنگي ۴:۴:۴ كه در دوربين‌هاي فيلمبرداري فوق‌حرفه‌اي و سينمايي گران‌ارزش به كار مي‌رود، به معناي عملكرد مستقل تمام پيكسل‌ها در تشخيص رنگ است. همانطور كه در تصوير بالا نيز مشاهده مي‌كنيد، هر يك از ۸ پيكسل، رنگ مختص خود را دارند. دوربين‌هايي مانند آري الكسا و رد از اين روش نمونه‌برداري رنگي بهره مي‌برند.

همانطور كه پيش‌تر بيان شده بود، نياز به پردازش سنگين و حجم بالاي ويديو‌هاي ضبط شده، مهندسان را به توسعه‌ي روش‌هاي جديدي واداشت. در همين راستا براي حل اشكالات مذكور، نمونه‌ي رنگ‌برداري ۴:۲:۲ ايجاد شد تا هر دو پيكسل‌‌ مجاور افقي، از رنگ‌برداري مشابهي بهره ببرند. همانطور كه واضح است، در اين حالت سيگنال ارسالي به سمت پردازنده، نصف حالت قبلي است. با اين حال فراموش نكنيد در اين الگوريتم نيز به پردازش‌هاي سنگيني نياز است. اين موضوع باعث شده است تا دوربين‌هاي حرفه‌اي مانند FS7 سوني، سري C كانن و EVA1 پاناسونيك با ارزش حدودي ۸۰۰۰ دلار (تنها براي بدنه) از آن بهره ببرند. البته به تازگي و به لطف پيشرفت دوربين‌هاي حرفه‌اي كوچك، نمونه‌هايي به بازار عرضه‌ شده‌اند كه امكان استفاده از اين قابليت را با ارزش بسيار كمتري براي متخصصان به ارمغان آورده‌اند. پاناسونيك GH5 و GH5S با ارزش كمتر از ۲۰۰۰ دلار خود، در حال حاضر تنها محصولاتي هستند كه به صورت داخلي توانايي ضبط ويديوهاي ۴:۲:۲ را دارند. البته برخي دوربين‌هاي ديگر اعم از فوجي‌فيلم X-T3 نيز از اين قابليت بهره مي‌برند، اما امكان ضبط آن‌ها در دوربين وجود ندارد و متخصص بايد با پرداخت هزينه‌ي بيشتري از ضبط‌كننده‌هاي خراجي مانند اتوموس نينجا ۵ بهره ببرد.

اتوموس نينجا ۵

مطالعه مهندسان دنياي دوربين‌هاي عكاسي و فيلمبرداري نشان داد كه فشرده‌سازي بيشتر عمليات رنگ‌برداري، تاثير زيادي بر كيفيت نهايي ندارد و متخصصان همچنان قادر به توليد محتواي جذابي خواهند بود. در همين راستا روش نمونه‌برداري ۴:۲:۰ معرفي شد كه همانطور كه از نام آن مشخص است، رديف پايين پيكسل‌ها عملكرد مستقلي در رنگ‌برداري ندارد و از رنگ رديف بالايي خود بهره مي‌برد. در رديف بالايي نيز همانند الگوريتم ۴:۲:۲، هر دو پيكسل از رنگ منحصر به فردي بهره مي‌برند. بدين ترتيب شاهد كاهش ۵۰ درصدي اطلاعات در اين روش نسبت به ۴:۲:۲ هستيم. عموم دوربين‌هاي كم‌كوردر، DSLR، عكاسي و حتي موبايل‌ها از اين روش بهره مي‌برند. 

تركيب نمونه‌برداري‌هاي رنگي بالا با شدت روشنايي منحصر به فرد هر پيكسل، نتايج بالا را خلق مي‌كند.

نمونه‌برداري‌هاي رنگي ديگري نيز در صنعت ويديو به كار گرفته شده‌اند كه البته در حال حاضر چندان متداول نيستند. به عنوان مثال مي توان به ۴:۱:۱ با رنگ‌برداري هر چهار مجاور در هر رديف به صورت مشابه و ۴:۴:۰ با رنگ‌برداري مشابه پيكسل‌هاي مجاور عمودي اشاره كرد.

با توجه به تجربه‌ي بسياري از متخصصان عادي از ضبط كليپ‌هاي ۴:۲:۰ و همچنين استفاده‌ي ويديو‌هاي عادي و پلتفرم‌هاي الكترونيك اعم از يوتيوب و نتفليكس از اين روش، شايد استفاده از نمونه‌برداري‌هاي رنگي ۴:۲:۲ و ۴:۴:۴ چندان ضروري يا حتي متخصصدي به انديشه متخصصين نرسد. شايد اين موضوع براي متخصصان خانگي چندان بااهميت نباشد، اما فراموش نكنيد اگر به دنبال توليد ويديو‌هاي باكيفيت و حرفه‌‌اي هستيد، نمونه‌برداري‌هاي رنگي عميق‌تر، تاثير گسترده‌اي بر خروجي نهايي خواهد داشت. همانطور كه مي‌توان پيش‌بيني كرد، مهم‌ترين تاثير نمونه‌برداري‌هاي ۴:۴:۴ و ۴:۲:۲ نسبت به ۴:۲:۰، بر لبه‌ي اجسام و سوژه‌هاي تصوير است كه به دليل نبود اطلاعات دقيق، اشكالاتي اعم از محو‌شدگي و شكست‌هاي بيجا ايجاد مي‌شود. اين موضوع در شرايط خاصي مانند وجود متن زياد در قاب يا اجسام ريز، بسيار بيشتر به چشم مي‌آيد.

تاثير نمونه‌برداري رنگي بر خطوط اشيا

ديگر برتري نمونه‌برداري‌هاي رنگي پيشرفته، يك‌دست بودن فضاي رنگي و توليد گراديان رنگي روان و جذاب است. اين موضوع در فيلمبرداري از محيط‌هاي باز و طبيعت به خصوص در آسمان بيشتر وجود دارد. رنگ‌برداري‌هاي فشرده در اين شرايط، بلوك‌هاي رنگي متفاوتي را نسبت به نمونه‌هاي كناري خود ايجاد مي‌كند كه جذابيت بصري تصوير را تحت تاثير زيادي قرار مي‌دهد. هم‌چنين در صورتي كه از پرده‌ي سبز در توليد محتواي خود بهره خواهيد برد، ماسك كردن بي‌نقص پرده وابستگي بسيار زيادي به شرايط رنگ‌برداري دارد. به همين دليل توليدكنندگان حرفه‌اي عموما در اين زمينه از محصولاتي با توانايي رنگ‌برداري ۴:۴:۴ بهره مي‌برند.

نمونه ويديوي ۴:۲:۲ (براي مشاهده تصاوير در ابعاد اصلي كليك كنيد)

نمونه ويديوي ۴:۲:۰ (براي مشاهده تصاوير در ابعاد اصلي كليك كنيد)

هم‌چنين در صورتي كه اصلاح رنگي و پس‌پردازش ويديو‌ها بخشي گسترده‌اي از كار شما را تشكيل مي‌دهد، ويديو‌هاي ۴:۲:۰ و محدوديت‌هاي آن پاسخ‌گوي نياز‌‌ها نخواهد بود و حداقل از انواع ۴:۲:۲ براي ايجاد رنگ‌هاي مورد انديشه متخصصين خود در بخش‌هاي مختلف قاب بهره ببريد.

عموم تلويزيون‌هاي جديد 4K، توانايي پخش ويديو‌هاي ۴:۴:۴ را از طريق ورودي HDMI دارند. به همين دليل برخلاف مولفه‌ي عمق رنگ كه تلويزيون و نمايشگر‌هاي همراه از آن، چندان متداول نيستند، در نمونه‌برداري رنگي شاهد چنين محدوديتي نيستيم و استفاده از نمونه‌هاي پيشرفته‌ و حرفه‌اي‌تر به وضوح توسط تمام متخصصان قابل مشاهده است.

پاناسونيك GH5S

انديشه متخصصين شما در رابطه با تاثير نمونه‌برداري رنگي در فيلمبرداري چيست؟ آيا تجربه‌ي استفاده از انواع پيشرفته‌ي نمونه‌برداري را داريد؟