Il 4k e 4:4:4

Spesso si sente parlare di questo numero, cioè il 4 nel modo del cinema, come sinonimo di qualità e resa. Per fare un esempio pratico riporto un aneddoto di un mio caro amico direttore della fotografia. Immaginiamo di avere un grande albero di mele carico di frutti con cui vogliamo farci un succo. Immaginiamo che non tutte le mele sono mature e che quindi non hanno lo stesso colore. Le vogliamo raccogliere.  Sotto l’albero possiamo decidere di metterci un enorme cassa di legno rettangolare e scuotere l’albero. In questo modo nell’unica cassa potranno cadere sia le mele mature che quelle acerbe e avere quindi una media di sapore  e colore data dalle mele acerbe mischiate con quelle mature. Diversamente posso decidere di essere più selettivo e mettere invece che una grande cassa più casse sotto l’albero (pixel). Allo stesso tempo posso anche decidere di predisporre le casse sotto l’albero a seconda del colore delle mele (campionamento colore). In questo modo quando vado a fare il succo (montaggio o post produzione) posso decidere le dosi a mio piacimento e gusto. Questo esempio, forse un po riduttivo ma propedeutico alle spiegazioni successive, ci aiuta a comprendere che il numero di pixel di un sensore ( 4k ) e il campionamento colore ( 4:4:4 ) possono fare davvero la differenza nella resa dell’immagine.

Il nome “4K” deriva da 4kilo (“4 mila”) che indica l’approssimazione dei suoi circa quattromila pixel orizzontali di risoluzione; il fatto che il nome ne descriva la risoluzione orizzontale è l’esatto contrario dei suoi predecessori: il 720p e il 1080p (i quali erano stati denominati tali per convenzione) indicano infatti il numero di pixel sull’asse verticale.

mettere immagine

Cosa significa il “4” nel campionamento colore 4:4:4

Il campionamento del colore viene descritto da tre numeri separati dai due punti, ad esempio 4:4:4 e 4:2:2 ecc. E’ importante sapere che i risultati sono differenti a seconda dei metodi di sottocampionamento del colore. 4:4:4 indica un pieno, continuo campionemento del colore RGB. Con il colore 4:4:4, la luminanza (luminosità) e chroma (colore) sono campionate alla stessa “risoluzione”, con il risultato di una tavolozza di colori RBG grande quanto la velocità di campionemto del segnale video. 4:4:4 è la migliore opzione in diverse applicazioni, come il compositing, la correzione del colore, e il montaggio su diverse piattaforme.

Sottocampionamento della crominanza
Il sottocampionamento della crominanza approfitta di queste differenze nella percezione umana per ridurre la velocità dei dati del video digitale. Il sottocampionamento della crominanza cattura (campiona) minori informazioni del colore che le informazioni della luminanza. Più è aggressivo il metodo di campionamento del colore, maggiore è il rischio della percezione di una riduzione e inaccuratezza dei colori. Il sottocampionamento della crominanza come la riduzione della quantità dei dati video utilizzando un campionamento del colore più aggressivo sono indipendenti dal codec video utilizzato.

Sotto il campionamento 4:4:4

Mentre il 4:4:4 supporta tutti i colori RGB, il sottocampionamento del crominanza come 4:2:2, 4:1:1, e 4:2:0 riducono i dati sul colore. La tabella seguente mostra l’ammontare della riduzione delle informazioni del colore con ognuno di questi metodi di sottocampionamento.

Ecco come funziona: ogni pixel dell’immagine dispone di alcuni attributi che seguono lo spazio colore Y’CbCr, ossia hanno una componente di luminanza (Y’ o luma) e due componenti di crominanza (Cb e Cr, o chroma); se eliminiamo le informazioni di crominanza otteniamo un’immagine in scala di grigi, se eliminiamo le informazioni di luminanza invece non abbiamo più nessuna immagine su cui lavorare. La compressione prevede che la crominanza venga cancellata solo da alcuni pixel secondo un determinato pattern e che a questi gli vengano poi assegnate quelle dei pixel vicini. Cosa significa tutto questo? Significa che alcuni pixel otterranno dati di crominanza che non gli appartengono, facendo sì che ci sia una considerevole diminuzione di banda al costo di una quasi impercettibile diminuzione della qualità visiva; si tratta di un espediente che sfrutta il fatto che i nostri occhi sono più sensibili alla luminosità piuttosto che al colore.

La notazione generica di un pattern di sottocampionamento è scritta nella forma J:a:b e descrive i campioni di luminanza e di crominanza in una matrice di pixel: J indica quanto deve essere larga la matrice, a e b invece indicano quanti pixel devono essere campionati rispettivamente nella riga superiore e inferiore.

Campionamento 4:4:4:

Facciamo un esempio concreto, estraiamo un gruppo di pixel da un’immagine non compressa e separiamo la luminanza dalla crominanza per eseguire il campionamento:

Se campioniamo la crominanza secondo il pattern 4:4:4 nessuna componente cromatica viene condivisa tra i pixel della matrice e, di fatto, è un campionamento nullo, perchè J/a = 1, cioè ogni pixel ha la propria componente cromatica. La matrice Y’CbCr risultante sarà identica a quella dell’immagine non compressa. Si tratta di un pattern utilizzato solo da cineprese digitali altamente professionali, dagli scanner per film in pellicola e più comunemente nelle fasi di post-produzione,  in quanto la massiccia larghezza di banda necessaria alla codifica non è gestibile nei dispositivi consumer/prosumer.

Campionamento 4:2:2:

Adesso vogliamo utilizzare un pattern che campioni realmente la crominanza, e uno di quelli più appetibili è il 4:2:2. In questo caso J/a=2: viene condivisa la stessa crominanza per gruppi di 2 pixel, perdendo per sempre le informazioni reali.
Interpolando con la luminanza otteniamo una matrice Y’CbCr differente da quella originale. Questo pattern viene utilizzato da codec professionali, tra i quali troviamo Sony MXF HD422, Panasonic AVC-Intra, DVCPRO HD, Cineform, oltre che da un discreto numero di videocamere prosumer che utilizzano questi stessi codec.

Campionamento 4:2:0:

L’ultimo pattern che vediamo è quello utilizzato dalla maggioranza delle attuali videocamere, in particolare quelle utilizzanti i codec MPEG (tutte le versioni), DV e HDV. Similmente al 4:2:2 i campionamenti lungo la riga a sono 2, ma quelli lungo la riga b sono 0: in questo caso viene duplicata la stessa crominanza dell’intera riga a.
Interpolando con la luminanza, la matrice Y’CbCr risultante sarà ancora più differente dall’originale non compressa, ma il quantitativo di banda richiesta sarà molto più basso. Questo campionamento viene utilizzato anche nelle DSLR.

Abbiamo detto che questo sistema porta grandissimi risultati in termini di compressione ma è anche uno dei limiti per la creazione di effetti visivi, basta pensare al più classico degli effetti, il Chroma Key: utilizzare come base una sorgente 4:2:0 produrrà grossi disturbi lungo i bordi del soggetto che verrà scontornato, perché le informazioni sulla crominanza sono rielaborate dal campionamento.

Luminanza

Le immagini a livelli di grigio, anche dette a scala di grigi,sono immagini digitali raster in bianco e nero costituite da una gamma di grigi (in genere da 4 a 256 livelli o toni) che vanno dal bianco al nero.

Le immagini a colori sono spesso costruite su diversi canali di colore sovrapposti, ciascuno di loro che rappresa i livelli di valore del canale specificato. Ad esempio, le immagini RGB sono composti da tre canali indipendenti per il rosso, verde e blu

La vista umana è più sensibile alle differenze nella luminosità dell’immagine (luminanza Y ) che alle differenze del colore (chroma C ).

Dobbiamo pensare che più informazioni abbiamo dalla nostra macchina da presa e maggiore saranno i calcoli da effettuare per trasformare il segnale luminoso in impulsi elettrici. Riprodurre fedelmente le immagini e il suono che ci circondano comporta un notevole sforzo sia in termini di tecnologia in fase di ripresa e cioè produzione sia in fase di montaggio ,post produzione. Di conseguenza aumentano i costi e si rallentano i tempi, cosa che nel mondo broadcast non è accettabile di questi tempi. Per risoluzione si intende il numero di pixel che ci sono nell’unità di misura di lunghezza anglosassone e cioè il pollice. Il pollice (in inglese “inch”) equivale a 25.39 mm circa. Per indicare quanti pixel stanno in un pollice di lunghezza si utilizzano i “dpi” ovvero dot per inch = punti per pollice (in italiano ppi).

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