Laboratoire de sous-échantillonnage de la chrominance

Compare comment les codecs vidéo préservent le détail de luminance tout en réduisant la résolution de chrominance.

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pourquoi les codecs sacrifient la couleur en premier 🖖

La vision humaine résout le détail de luminosité plus finement que le détail de couleur, donc les codecs conservent la pleine résolution de luminance (Y) et partagent les échantillons de chrominance (Cb/Cr) entre pixels voisins. Le 4:4:4 stocke le détail de couleur complet, le 4:2:2 divise par deux la résolution de chrominance horizontale, et le 4:2:0 la divise par deux à la fois horizontalement et verticalement. L'économie de bande passante est réelle : le 4:2:0 utilise environ la moitié des données brutes du 4:4:4, mais un texte coloré net et des motifs de couleurs alternés révèlent la perte en premier.

ce que signifient les trois nombres 🖖

Le rapport est une recette pour un bloc de 4 pixels de large sur 2 lignes de haut. Le premier nombre (4) est la largeur du bloc, le deuxième compte les échantillons de couleur de la ligne du haut, le troisième combien changent sur la ligne du bas. Ainsi 4:2:2 prend 2 échantillons de couleur par ligne, tandis que 4:2:0 en prend 2 sur la ligne du haut et les réutilise en dessous (0 nouveau), partageant une couleur sur un carré de 2×2. La luma est toujours échantillonnée à chaque pixel.

la télé de vos grands-parents le faisait déjà 🖖

Le sous-échantillonnage de la chrominance n'est pas une invention numérique. Au lancement de la télévision couleur NTSC en 1953, les ingénieurs ont accordé environ 4.2 MHz de bande passante au signal de luminance, mais ont comprimé les deux canaux de couleur dans à peu près 1.3 MHz et 0.5 MHz — l'étroit canal « Q » exploitait la très faible résolution de l'œil pour les détails de couleur bleu-violet. La télévision couleur analogique jetait discrètement de la résolution chromatique des décennies avant que JPEG ou H.264 ne formalisent l'idée.

UNE ÉTAPE D'UNE CHAÎNE — CE QUI ENTRE, CE QUI SORT, CE QUI CASSE ENSUITE

Où cette étape se situe dans la chaîne d'encodage

Un encodeur vidéo n'est pas un algorithme mais huit étapes dans un ordre fixe, et cet ordre n'est pas arbitraire : chaque étape existe parce que la précédente a rendu son travail possible. Cet outil modélise l'une d'elles. La chaîne ci-dessous renvoie aux sept autres.

Laboratoire de sous-échantillonnage de la chrominance — jette l'essentiel de la résolution de couleur en laissant la luminance intacte

Ce qui entre
Luma et chroma en pleine résolution — un échantillon de couleur par pixel, noté 4:4:4.
Ce qui sort
Luma en pleine résolution, chroma au quart des échantillons en 4:2:0.
Ce que suppose l'étape suivante
Tout l'aval traite quatre fois moins de données chroma, et le décodeur interpolera les échantillons jetés.
Ce qui se casse ici
Un bord saturé — du texte rouge sur noir est le cas d'école — voit sa couleur étalée sur tout le bloc, car ce bord vit dans le canal chroma où les échantillons ont été retirés. La luma survit intacte : l'image paraît nette et la couleur fausse.

Problème entièrement résolu

  1. Octets par pixel pour le 4:4:4, 4:2:2 et 4:2:0 d'après le nombre d'échantillons 6 étapes

    Déduisez les octets par pixel pour le 4:4:4, le 4:2:2 et le 4:2:0 à partir du nombre d'échantillons, puis déterminez l'économie réelle de bande passante apportée par le 4:2:0.

    1. Comptez les échantillons dans un bloc 2×2. La notation indique combien d'échantillons de chrominance accompagnent quatre échantillons de luminance dans la ligne supérieure et la ligne inférieure, de sorte que le rapport est un décompte et non une fraction.

    2. Les deux autres modes réduisent la chrominance horizontalement, puis verticalement. Chaque division par deux supprime deux des douze échantillons du bloc.

    3. Multipliez par le nombre de pixels pour la taille de l'image, puis calculez le rapport pour obtenir l'économie. Le 4:2:0 représente exactement la moitié du 4:4:4 par construction, et non par mesure.

    4. Observez la répartition des échantillons. La luminance reste intacte dans chaque mode — les canaux de différence de couleur sont les seuls à être réduits, et l'œil humain les distingue avec environ la moitié de son acuité.

    5. Rapportez ces mêmes 1,5 octet par pixel à une image réelle à une cadence réelle.

    6. C'est pourquoi le mode de défaillance est spécifique plutôt que général : la perte se situe entièrement dans les deux canaux qui ne transportent aucun détail de luminance.

    Réponse

    La moitié, et le débit reste de 746 Mbit/s pour du 1080p30 non compressé. Ce chiffre est tout l'intérêt de l'exercice. Le sous-échantillonnage de la chrominance est la compression la moins chère qui soit — aucune transformée, aucun codeur entropique, aucune décision à prendre — et après avoir divisé les données par deux, le flux reste bien trop volumineux pour n'importe quel réseau domestique, c'est pourquoi tous les codecs du marché commencent après cette étape plutôt qu'à sa place. La raison pour laquelle le coût visuel est si faible réside dans l'équation de Y : la luminance est échantillonnée pour chaque pixel et seuls Cb et Cr sont réduits, de sorte que les contours, la texture et les détails restent intacts. Ce qui se dégrade, c'est tout ce dont l'information réside uniquement dans la couleur — un texte rouge sur fond gris, un logo saturé, un contour d'incrustation chromatique — c'est pourquoi le 4:2:0 est invisible sur le feuillage et désastreux sur une présentation.

Références (1)

Exemples de problèmes

  • Barres de couleur - Huit bandes sur 64 pixels, chacune a donc une largeur de huit. Le format 4:2:0 calcule la moyenne de la chrominance par blocs de 2×2. Aucun de ces blocs ne chevauche le bord d'une bande, si bien que chaque zone moyennée affiche déjà une couleur unie : les trois panneaux ressortent identiques au pixel près, tandis que l'image tombe de 9 216 à 4 608 octets. Sur cette image, cette économie de 50,0 % ne coûte absolument rien.
  • Dégradé de teinte - Dégradé de teinte doux : 4:2:0 et 4:2:2 semblent presque identiques — les scènes naturelles masquent bien les artefacts de chrominance
  • Texte coloré - Des lettres rouges sur fond blanc, et c'est cette image qui pose réellement problème. Chaque bord de trait marque un saut de chrominance du rouge vers le blanc. Le format 4:2:0 en calcule la moyenne sur un bloc de 2×2, et les contours bavent alors que la luminance reste parfaitement nette. Le format 4:2:2 se situe entre les deux, car il calcule cette moyenne uniquement à l'horizontale. Il économise les mêmes 4 608 octets que les bandes de couleur, qui ne subissaient aucune perte. C'est l'image qui détermine le coût, pas le ratio.
  • Damier de stress - Le nom promet une épreuve, pourtant les panneaux s'affichent à l'identique. Ses carrés rouges et cyan mesurent 2×2, et le format 4:2:0 calcule la moyenne de la chrominance sur 2×2 en suivant la même grille. Chaque groupe touché présente ainsi déjà une couleur unie. Ce ne sont pas les détails fins que le sous-échantillonnage dégrade. Il pénalise plutôt les détails désalignés de la grille de chrominance. C'est ce que montre le texte en couleur, contrairement à ce damier.