4:4:0, 4:2:0 und Co.: Farbunterabtastungen erklärt

Unkomprimiert passen Filme nicht auf eine Blu-Ray oder würden Datenmengen für Netflix und Prime Video sprengen. Eine Farbunterabtastung komprimiert solche Videos.

4:4:0, 4:2:0 und Co.: Farbunterabtastungen erklärt

Die Grundlagen der Farbunterabtastung

Die Datenmenge für Videos muss in der heutigen Home-Cinema-Welt überschaubar bleiben, damit ein Video auch auf eine Blu-ray oder durch die „schmalen Kanäle“ des Internet passt. Hier kommt den Codec-Ingenieuren die Physiologie des menschlichen Auges entgegen. Denn wir reagieren auf Helligkeitsunterschiede (Luminanz) empfindlicher als auf Farben (Chrominanz).

Auf Helligkeitsunterschiede reagieren unsere Augen empfindlicher als auf Farben. (Foto: Pexels | Skylar Keng)

Eine Schwarzweißfotografie wirkt auf uns gestochen scharf oder verwaschen. Die Farbinformationen, die »darüber« gelegt sind, nehmen wir oberflächlich wahr – ob sie genau mit den Kanten übereinstimmen oder in andere Bereiche hineinragen, ist zweitrangig.

Die Farbunterabtastung bedeutet, dass Helligkeits- und Farbinformationen voneinander getrennt encodiert sind. Vereinfacht meint das, dass ein Graustufenbild von Farbinformationen überlagert ist. Jedem Helligkeitswert eine Farbe zuzuordnen ist am speicherintensivsten. Einsparungen sind möglich, wenn eine Farbinformation zwei oder vier Helligkeitswerte bedient.

Das ist noch recht abstrakt, aber leicht zu erklären. In welchem Verhältnis die Helligkeitsinformationen und Farben stehen, ist in dem Format A:B:C angegeben.

In welcher Bit-Tiefe die Farben vorliegen, beschreibt das Chroma Subsampling im Übrigen nicht. Dafür sind die einzelnen Farbräume zuständig.

Die kryptischen Zahlenkombinationen erklärt

Was verbirgt sich hinter Bezeichnungen wie 4:4:4, 4:2:2 oder 4:2:0? Sie geben an, wie Helligkeits- und Farbinformationen über zwei Zeilen und meist vier Spalten gewichtet sind. Dazu zerlegen wir die Ziffern in die schon erwähnten Buchstaben: A:B:C.

A ist üblicherweise mit 4 – einer niedrigen Zweierpotenz – beziffert. Vier Pixel in der Horizontalen bilden eine Reihe von Graustufen, die wir der Einfachheit halber Chroma-Reihe nennen.

Ziffer A: Nur ein paar Helligkeitswerte.

Ziffer B gibt an, wie viele Farbinformationen für die genannte, horizontale Chroma-Reihe zur Verfügung stehen. Eine 4 bedeutet, dass jeder Pixel neben der Helligkeitsinformation einen Farbwert zugewiesen bekommt. Eine 2 heißt dementsprechend, dass halb so viele Farb- wie Helligkeitsinformationen eingespeist sind.

Jetzt kommt Farbe ins Spiel!

Für Ziffer C legen wir eine zweite, untere Chroma-Reihe an. Warum das so ist? Es liegt einfach in der Notation. Diese Ziffer C gibt nämlich an, wie viele Farben den jeweiligen Chroma-Pixeln der zweiten Reihe zur Verfügung stehen. Ist C mit null angegeben, füllt der Codec die untere Reihe mit den Farbinformationen der oberen auf.

C beziffert die Farbinformationen der unteren Chroma-Reihe. Steht dort eine Null – wie in diesem Beispiel – füllt B die Informationen auf.

So viel spart eine gute Farbunterabtastung ein

Zusammengesetzt lassen sich so die Video-Qualitäten anhand des A:B:C-Schemas ablesen. Wie viel Bandbreite sparen die unterschiedlichen Farbunterabtastungen ein? Das könnt ihr selbst ausrechnen.

Dazu addiert ihr zunächst A, B und C. Das Resultat teilt ihr durch 12 (die höchst mögliche Qualität) und multipliziert es mit dem Wert 100. Das Ergebnis in Prozent indiziert den Speicherbedarf.

AnwendungA:B:C-AbtastungSpeicherbedarf in %
Professionelle Videoaufnahme4:4:4100
NTSC4:2:266,6
BluRay, JPEG4:2:050
NTSC-DV4:1:150
PAL I4:1:041,6

Die Ausspielung in 4:4:4 ist die qualitativ hochwertigste, die in professioneller Filmproduktion eingesetzt ist. Dieselbe Notation findet Anwendung im RGB-Farbraum. Da dieser Chrominanz und Luminanz nicht voneinander trennt, entfällt in diesem die Farbunterabtastung.

In der Ausspielung von Film auf BluRay oder im Stream ist 4:2:0 der standardisierte Kompromiss zwischen Bildqualität und Datenmenge. Gut die Hälfte ist eingespart, dennoch wirkt das Bild scharf und farbenreich.

Moderne Fernseher, BluRay-Player und Monitore reizen mit einer 4:4:4-Skalierung – das bedeutet, dass eine KI-Routine das Material nach einer Analyse mit zusätzlichen Farbinformationen anreichert und ausspielt. Das funktioniert einigermaßen gut. Dennoch sind auch diese Routinen vom vorliegenden Material abhängig. Seid ihr also Cineasten und wollt Filme in bestmöglicher Qualität schauen, bieten UHD-BluRays mit 10-Bit-Farbinformationen (HDR) und 4:2:0 den idealen Einstieg. Ein echtes 4:4:4-Format hingegen ist in naher Zukunft nicht zu erwarten.

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