نمونه‌برداری رنگی در ویدیو چیست و انواع ۴:۴:۴ و ۴:۲:۲ و ۴:۲:۰ چه تفاوتی دارند؟

مولفه‌های متفاوتی برای انتخاب توانمندترین دوربین فیلمبرداری وجود دارد. همانطور که عملکرد دوربین‌های دیجیتال در بخش عکاسی تنها به رزولوشن سنسور و ابعاد پیکسل‌ها باز نمی‌گردد، در بخش فیلمبرداری نیز تنها رزولوشن و نرخ ویدیو‌ها تعیین‌کننده‌ی توانایی دوربین نیستند. مولفه‌های مختلفی در این زمینه وجود دارد که تفاوت زیادی در کیفیت نهایی کلیپ‌های ضبط شده ایجاد می‌کنند. 

به طور ساده، پیکسل‌ها برای نمایش تصاویر به دو مولفه نیاز دارند؛ روشنایی (Luma) و رنگ (Chroma). با دادن اطلاعات دقیق در خصوص هر یک از مولفه‌های مذکور، مجموع پیکسل‌ها قادر به نمایش دقیق رنگ‌ها خواهند شد. اگر داده‌‌ای در خصوص روشنایی ثبت نشود، تصویری کاملا سیاه ثبت و در صورتی که اطلاعات مربوط به رنگ در دسترس نباشد، خروجی تصویری سیاه و سفید خواهد شد.

در حالت ایده‌آل تصویربرداری، دوربین می‌تواند روشنایی و رنگ هر یک از پیکسل‌ها را به صورت جداگانه تعیین کند. اما این موضوع منجر به افزایش قابل توجه نرخ بیت و حجم نهایی فایل می‌شود. در همین راستا مهندسان به بررسی مولفه‌های مذکور پرداختند تا در صورت امکان اقدام به فشرده‌سازی یا بهینه‌سازی آن‌ها کنند. به دلیل اهمیت Luma، این مولفه برای همه‌ی پیکسل‌ها به صورت جداگانه ثبت می‌شود. اما امکان استفاده‌ی چند پیکسل مجاور هم از یک رنگ، نتیجه‌ی بررسی مهندسان در رابطه با تاثیر Chroma بود. در همین راستا و برای ساده‌سازی پردازش تصاویر، روش‌های نمونه‌برداری رنگی ایجاد شد.

اگر سابقه‌ی بررسی مشخصات فنی دوربین‌های حرفه‌ای را دارید، قطعا تاکنون با عبارت‌هایی مانند ۴:۴:۴، ۴:۲:۲ یا ۴:۲:۰ روبرو شده‌اید. این عبارت که نشانگر هر یک از پارامتر‌های j:a:b‌ هستند، بیان‌کننده‌ی توانایی دوربین در بخش نمونه‌برداری رنگی است. اما عبارات مذکور چه معنایی دارند؟ 

تولیدکنندگان دوربین‌های حرفه‌ای از الگوریتم‌های مختلفی برای رنگ‌برداری استفاده می‌کنند. اما رایج‌ترین آن‌ها، استفاده از دو پیکسل افقی مشابه در کنار هم است. در همین راستا برای معرفی توانایی دوربین عموما از عدد ۴ (مولفه‌ی j در سمت چپ) استفاده می‌کنند که به معنای چهار پیکسل کنار هم است. عدد دوم (مولفه‌ی a) به معنای تعداد پیکسل‌ها ردیف بالایی است که از رنگ‌برداری مستقلی بهره می‌برند. 

در برخی الگوریتم‌ها علاوه‌بر پیکسل‌های مجاور افقی، نمونه‌های مجاور عمودی نیز از رنگ‌برداری مشابهی بهره می‌برند به همین دلیل برای معرفی توانایی رنگ‌برداری دوربین‌ها در کنار چهار پیکسل افقی، عملکرد چهار پیکسل دیگر در ردیف پایینی نیز بیان می‌شود. عدد سوم (مولفه‌ی b در سمت راست) بیان‌گر تعداد پیکسل مستقل در ردیف پایینی است.

نمونه‌برداری رنگی ۴:۴:۴ که در دوربین‌های فیلمبرداری فوق‌حرفه‌ای و سینمایی گران‌قیمت به کار می‌رود، به معنای عملکرد مستقل تمام پیکسل‌ها در تشخیص رنگ است. همانطور که در تصویر بالا نیز مشاهده می‌کنید، هر یک از ۸ پیکسل، رنگ مختص خود را دارند. دوربین‌هایی مانند آری الکسا و رد از این روش نمونه‌برداری رنگی بهره می‌برند.

همانطور که پیش‌تر بیان شده بود، نیاز به پردازش سنگین و حجم بالای ویدیو‌های ضبط شده، مهندسان را به توسعه‌ی روش‌های جدیدی واداشت. در همین راستا برای حل مشکلات مذکور، نمونه‌ی رنگ‌برداری ۴:۲:۲ ایجاد شد تا هر دو پیکسل‌‌ مجاور افقی، از رنگ‌برداری مشابهی بهره ببرند. همانطور که واضح است، در این حالت سیگنال ارسالی به سمت پردازنده، نصف حالت قبلی است. با این حال فراموش نکنید در این الگوریتم نیز به پردازش‌های سنگینی نیاز است. این موضوع باعث شده است تا دوربین‌های حرفه‌ای مانند FS7 سونی، سری C کانن و EVA1 پاناسونیک با قیمت حدودی ۸۰۰۰ دلار (تنها برای بدنه) از آن بهره ببرند. البته به تازگی و به لطف پیشرفت دوربین‌های حرفه‌ای کوچک، نمونه‌هایی به بازار عرضه‌ شده‌اند که امکان استفاده از این قابلیت را با قیمت بسیار کمتری برای کاربران به ارمغان آورده‌اند. پاناسونیک GH5 و GH5S با قیمت کمتر از ۲۰۰۰ دلار خود، در حال حاضر تنها محصولاتی هستند که به صورت داخلی توانایی ضبط ویدیوهای ۴:۲:۲ را دارند. البته برخی دوربین‌های دیگر اعم از فوجی‌فیلم X-T3 نیز از این قابلیت بهره می‌برند، اما امکان ضبط آن‌ها در دوربین وجود ندارد و کاربر باید با پرداخت هزینه‌ی بیشتری از ضبط‌کننده‌های خراجی مانند اتوموس نینجا ۵ بهره ببرد.

اتوموس نینجا ۵

بررسی مهندسان دنیای دوربین‌های عکاسی و فیلمبرداری نشان داد که فشرده‌سازی بیشتر عملیات رنگ‌برداری، تاثیر زیادی بر کیفیت نهایی ندارد و کاربران همچنان قادر به تولید محتوای جذابی خواهند بود. در همین راستا روش نمونه‌برداری ۴:۲:۰ معرفی شد که همانطور که از نام آن مشخص است، ردیف پایین پیکسل‌ها عملکرد مستقلی در رنگ‌برداری ندارد و از رنگ ردیف بالایی خود بهره می‌برد. در ردیف بالایی نیز همانند الگوریتم ۴:۲:۲، هر دو پیکسل از رنگ منحصر به فردی بهره می‌برند. بدین ترتیب شاهد کاهش ۵۰ درصدی اطلاعات در این روش نسبت به ۴:۲:۲ هستیم. عموم دوربین‌های کم‌کوردر، DSLR، عکاسی و حتی موبایل‌ها از این روش بهره می‌برند. 

ترکیب نمونه‌برداری‌های رنگی بالا با شدت روشنایی منحصر به فرد هر پیکسل، نتایج بالا را خلق می‌کند.

نمونه‌برداری‌های رنگی دیگری نیز در صنعت ویدیو به کار گرفته شده‌اند که البته در حال حاضر چندان متداول نیستند. به عنوان مثال می توان به ۴:۱:۱ با رنگ‌برداری هر چهار مجاور در هر ردیف به صورت مشابه و ۴:۴:۰ با رنگ‌برداری مشابه پیکسل‌های مجاور عمودی اشاره کرد.

با توجه به تجربه‌ی بسیاری از کاربران عادی از ضبط کلیپ‌های ۴:۲:۰ و همچنین استفاده‌ی ویدیو‌های عادی و پلتفرم‌های آنلاین اعم از یوتیوب و نتفلیکس از این روش، شاید استفاده از نمونه‌برداری‌های رنگی ۴:۲:۲ و ۴:۴:۴ چندان ضروری یا حتی کاربردی به نظر نرسد. شاید این موضوع برای کاربران خانگی چندان بااهمیت نباشد، اما فراموش نکنید اگر به دنبال تولید ویدیو‌های باکیفیت و حرفه‌‌ای هستید، نمونه‌برداری‌های رنگی عمیق‌تر، تاثیر گسترده‌ای بر خروجی نهایی خواهد داشت. همانطور که می‌توان پیش‌بینی کرد، مهم‌ترین تاثیر نمونه‌برداری‌های ۴:۴:۴ و ۴:۲:۲ نسبت به ۴:۲:۰، بر لبه‌ی اجسام و سوژه‌های تصویر است که به دلیل نبود اطلاعات دقیق، مشکلاتی اعم از محو‌شدگی و شکست‌های بیجا ایجاد می‌شود. این موضوع در شرایط خاصی مانند وجود متن زیاد در قاب یا اجسام ریز، بسیار بیشتر به چشم می‌آید.

تاثیر نمونه‌برداری رنگی بر خطوط اشیا

دیگر برتری نمونه‌برداری‌های رنگی پیشرفته، یک‌دست بودن فضای رنگی و تولید گرادیان رنگی روان و جذاب است. این موضوع در فیلمبرداری از محیط‌های باز و طبیعت به خصوص در آسمان بیشتر وجود دارد. رنگ‌برداری‌های فشرده در این شرایط، بلوک‌های رنگی متفاوتی را نسبت به نمونه‌های کناری خود ایجاد می‌کند که جذابیت بصری تصویر را تحت تاثیر زیادی قرار می‌دهد. هم‌چنین در صورتی که از پرده‌ی سبز در تولید محتوای خود بهره خواهید برد، ماسک کردن بی‌نقص پرده وابستگی بسیار زیادی به شرایط رنگ‌برداری دارد. به همین دلیل تولیدکنندگان حرفه‌ای عموما در این زمینه از محصولاتی با توانایی رنگ‌برداری ۴:۴:۴ بهره می‌برند.

نمونه ویدیوی ۴:۲:۲ (برای مشاهده تصاویر در ابعاد اصلی کلیک کنید)

نمونه ویدیوی ۴:۲:۰ (برای مشاهده تصاویر در ابعاد اصلی کلیک کنید)

هم‌چنین در صورتی که اصلاح رنگی و پس‌پردازش ویدیو‌ها بخشی گسترده‌ای از کار شما را تشکیل می‌دهد، ویدیو‌های ۴:۲:۰ و محدودیت‌های آن پاسخ‌گوی نیاز‌‌ها نخواهد بود و حداقل از انواع ۴:۲:۲ برای ایجاد رنگ‌های مورد نظر خود در بخش‌های مختلف قاب بهره ببرید.

عموم تلویزیون‌های جدید 4K، توانایی پخش ویدیو‌های ۴:۴:۴ را از طریق ورودی HDMI دارند. به همین دلیل برخلاف مولفه‌ی عمق رنگ که تلویزیون و نمایشگر‌های پشتیبان از آن، چندان متداول نیستند، در نمونه‌برداری رنگی شاهد چنین محدودیتی نیستیم و استفاده از نمونه‌های پیشرفته‌ و حرفه‌ای‌تر به وضوح توسط تمام کاربران قابل مشاهده است.

پاناسونیک GH5S

نظر شما در رابطه با تاثیر نمونه‌برداری رنگی در فیلمبرداری چیست؟ آیا تجربه‌ی استفاده از انواع پیشرفته‌ی نمونه‌برداری را دارید؟