Laboratório de subamostragem de crominância

Compare como os codecs de vídeo preservam o detalhe de luminância enquanto reduzem a resolução de crominância.

Exemplo resolvido — Laboratório de subamostragem de crominância

Tipo	Barras de cor
Pixels de origem	3.072 píxeis
Altura de saída	180 px

Estes são os valores que a calculadora mostra ao abrir a página. Altere qualquer entrada acima para os recalcular.

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por que os codecs sacrificam a cor primeiro 🖖

A visão humana resolve o detalhe de brilho com mais nitidez do que o detalhe de cor, então os codecs mantêm a resolução total de luminância (Y) e compartilham as amostras de crominância (Cb/Cr) entre pixels vizinhos. O 4:4:4 armazena o detalhe de cor completo, o 4:2:2 reduz pela metade a resolução horizontal de crominância, e o 4:2:0 reduz pela metade tanto na horizontal quanto na vertical. A economia de largura de banda é real: o 4:2:0 usa cerca de metade dos dados brutos do 4:4:4, mas texto colorido nítido e padrões de cor alternados revelam a perda primeiro.

o que significam os três números 🖖

A proporção é uma receita para um bloco de 4 pixels de largura e 2 linhas de altura. O primeiro número (4) é a largura do bloco; o segundo conta as amostras de cor na linha de cima; o terceiro, quantas mudam na linha de baixo. Assim, 4:2:2 pega 2 amostras de cor por linha, enquanto 4:2:0 pega 2 na linha de cima e as reutiliza embaixo (0 novas), compartilhando uma cor num quadrado 2×2. A luma é sempre amostrada em cada pixel.

a TV dos seus avós já fazia isso 🖖

A subamostragem de croma não é uma invenção digital. Quando a televisão em cores NTSC estreou em 1953, os engenheiros deram cerca de 4.2 MHz de largura de banda ao sinal de brilho, mas espremeram os dois canais de cor em torno de 1.3 MHz e 0.5 MHz — o estreito canal «Q» explorava a baixa resolução do olho para detalhes de cor azul-violeta. A televisão analógica em cores já descartava resolução cromática décadas antes de JPEG ou H.264 formalizarem a ideia.

UMA ETAPA DE UMA CADEIA — O QUE ENTRA, O QUE SAI E O QUE QUEBRA DEPOIS

Onde isto fica no pipeline de codificação

Um codificador de vídeo não é um algoritmo, mas oito etapas numa ordem fixa, e a ordem não é arbitrária: cada etapa existe porque a anterior tornou o seu trabalho possível. Esta ferramenta modela uma delas. A cadeia abaixo liga às outras sete.

Laboratório de subamostragem de crominância — descarta quase toda a resolução de cor deixando o brilho intacto

O que entra: Luma e croma em resolução plena — uma amostra de cor por pixel, escrito 4:4:4.
O que sai: Luma em resolução plena e croma com um quarto das amostras em 4:2:0.
O que a etapa seguinte pressupõe: Tudo a jusante lida com quatro vezes menos dados de croma, e o decodificador interpolará de volta as amostras descartadas.
O que dá errado aqui: Uma borda saturada — texto vermelho sobre preto é o caso clássico — tem a cor espalhada pelo bloco, porque essa borda vive no canal de croma de onde as amostras foram retiradas. A luma sobrevive intacta, então a imagem parece nítida e a cor parece errada.

Etapa anterior: Amostragem Etapa seguinte: Estrutura GOP

Problema resolvido na íntegra

Bytes por pixel para 4:4:4, 4:2:2 e 4:2:0 a partir das contagens de amostras 6 passos
Deduza os bytes por píxel para 4:4:4, 4:2:2 e 4:2:0 a partir das contagens de amostras e, em seguida, descubra quanta largura de banda o 4:2:0 está realmente a poupar.
1. Conte as amostras num bloco de 2×2. A notação indica quantas amostras de croma acompanham quatro de luma nas linhas superior e inferior, pelo que o rácio é uma contagem e não uma fração.
  
  $64 \times 48 = 3072 pixels; 4:4:4 = \frac{12 samples}{4 pixels} = 3.0 B/px$
2. Os outros dois modos descartam croma horizontalmente e, depois, também verticalmente. Cada redução para metade remove duas das doze amostras no bloco.
  
  $4:2:2 = \frac{8}{4} = 2.0 B/px, 4:2:0 = \frac{6}{4} = 1.5 B/px$
3. Multiplique pela contagem de píxeis para o tamanho do fotograma e determine o rácio da poupança. O 4:2:0 é exatamente metade do 4:4:4 por construção, e não por medição.
  
  $3072 \times 3.0 = 9216 B; \times 2.0 = 6144 B (66.7%); \times 1.5 = 4608 B (50.0%)$
4. Observe para onde foram as amostras. A luma permanece intacta em todos os modos — os canais de diferença de cor são os únicos a ser reduzidos, e o olho humano resolve-os com cerca de metade da acuidade.
  
  $Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B — luma keeps every pixel; only C_{b}, C_{r} are thrown away$
5. Escale os mesmos 1,5 bytes por píxel para um fotograma real a uma taxa real.
  
  $1920 \times 1080 \times 1.5 \times 30 \times 8 = 746 Mbit/s uncompressed 4:2:0 1080p30$
6. É por isso que o modo de falha é específico e não geral: a perda ocorre inteiramente nos dois canais que não transportam detalhe de luminância.
  
  $4:2:0 halves the data and leaves Y untouched: the loss is invisible on foliage and fatal on red text$
Resposta

Metade, e ainda assim são 746 Mbit/s para 1080p30 sem compressão. Esse número é o objetivo do exercício. A subamostragem de croma é a compressão mais barata que existe — sem transformada, sem codificador entrópico, sem decisão a tomar — e, após reduzir os dados para metade, o fluxo ainda é demasiado grande para qualquer rede doméstica, razão pela qual todos os codecs disponibilizados começam depois deste passo em vez de o substituírem. A razão para custar tão pouco visualmente reside na equação de Y: a luma é amostrada em cada píxel e apenas Cb e Cr são reduzidos, pelo que as arestas, a textura e o detalhe permanecem intactos. O que falha é tudo aquilo cuja informação reside apenas na cor — texto vermelho num fundo cinzento, um logótipo saturado, uma aresta de chroma-key — razão pela qual o 4:2:0 é invisível na folhagem e desastroso numa apresentação de diapositivos.

$4:2:0 = 1.5 B/px = \frac{1}{2} of 4:4:4, with every luma sample kept$

Referências (1)

Insight block 1 says codecs discard colour before anything else. This is the measurement that licenses it: K. T. Mullen, "The contrast sensitivity of human colour vision to red–green and blue–yellow chromatic gratings." The Journal of Physiology 359, 381–400, 1985 — chromatic acuity falls away at far coarser detail than luminance acuity.

Pela equipa 42Math · Atualizado 2026-05-19

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Problemas de exemplo

Barras de cor - Oito barras ao longo de 64 píxeis, logo cada uma tem oito de largura, e o formato 4:2:0 calcula a média da crominância em blocos de 2×2. Nenhum bloco cruza a fronteira de uma barra, de modo que cada grupo avaliado tem já uma cor uniforme: os três painéis resultam idênticos píxel a píxel, enquanto o quadro desce de 9.216 bytes para 4.608. A poupança de 50,0% sai a custo zero nesta imagem.
Gradiente de matiz - Gradiente suave de matiz: 4:2:0 e 4:2:2 parecem quase idênticos — cenas naturais escondem bem os artefatos de crominância
Texto colorido - Letras vermelhas sobre branco, e esta é a imagem que efetivamente quebra. Cada rebordo do traço é um salto de crominância de vermelho para branco, o formato 4:2:0 calcula a média num bloco de 2×2, e as margens sangram enquanto a luminância permanece perfeitamente nítida. O formato 4:2:2 fica entre os dois porque tira a média apenas na horizontal. Poupa os mesmos 4.608 bytes que as barras de cor, as quais nada perdem. A imagem dita o custo, não a proporção.
Xadrez de estresse - O nome promete dificuldade e os painéis saem idênticos. Os quadrados são de 2×2 a vermelho e ciano. Como o formato 4:2:0 faz a média da crominância em 2×2 na mesma grelha, cada grupo avaliado tem já uma só cor. A subamostragem não castiga o detalhe fino. Castiga o detalhe que se desencontra da grelha de crominância, o que o texto colorido demonstra e este caso omite.