Submuestreo de Crominancia

En muchas ocasiones nos encontramos en situación de tener que decidir qué formato de salida es el más adecuado para nuestras producciones audiovisuales. Es entonces cuando entran en juego unos numeritos que parecen volver locos a muchos profesionales del medio. Estamos hablando de los famosos 4:2:2, 4:2:0 o 4:1:1 entre otros. Pero… ¿Qué significan exactamente estas notaciones? Para hacer una primera aproximación muy sencilla, podemos decir que cuando nos referimos al esquema 4:4:4: estamos hablando de un formato de vídeo sin pérdidas, sin compresión. De esta manera 4:2:0 compondrá un formato que mantiene la luminosidad intacta (no la comprime) dejando a la mitad el segundo valor y descartando casi por completo y en principio la información del tercer valor.

En realidad de lo que estamos hablando, es de cómo se produce el denominado (con algunas variaciones) submuestreo de crominancia a partir de la señal nativa de vídeo. Efectivamente y en la práctica, consiste en codificar (ya se verá cómo) la componente crominancia mediante un muestreo a menor frecuencia que para el componente de luminancia. Esto es lo que podemos denominar submuestreo.

Vectorscopio y Barras de Colores
Vectorscopio y Barra de Colores

Es en los años 50, cuando el genial Alda Vernon Bedford registra su famosa patente 28583622 USA, el momento en que se producirá el desarrollo de la televisión en color por parte de la cadena RCA, integrándolo más tarde en el sistema americano NTSC. Vernon Bedford a través de diversos trabajos y publicaciones es quien va a demostrar que las resoluciones que mejor refiere el ojo humano se ciñen sólo al blanco y negro, bajando en los colores intermedios como los amarillos y verdes, y alcanzando una menor resolución en los rojos y azules, es decir los colores del extremo del espectro.

Finalmente estos estudios, junto con los procesos de laboratorio que les acompañaron, posibilitaron a la RCA que pudiera desarrollar un sistema en el que se descartaba la mayor parte de la señal de color azul, manteniendo una parte considerable del verde y minimizando la presencia del rojo. Y de este proceso es precisamente de donde deriva el submuestreo de crominancia, que es aproximadamente análogo al submuestreo 4:2:1, con su correspondiente resolución decreciente en la luma, amarillo, verde y rojo, azul.

En cualquiera de los casos, debemos tener en cuenta las características del funcionamiento del ojo humano y como responde a las diferentes señales de luminancia y crominancia que recibe y por supuesto como las procesa posteriormente.

A estas alturas habremos comprendido ya, por tanto, que este, el ojo humano, tiene una mayor sensibilidad a la hora de procesar las variaciones de luminancia que las de crominancia, lo cual afecta a la forma de percibir el color. Pero además de lo anterior debemos tener en cuenta que este fenómeno se produce con mayor incidencia en determinadas situaciones, como por ejemplo cuando visionamos un vídeo con 24 imágenes por segundo. En realidad todo viene a reducirse a un problema de espacio, peso y almacenaje. En este sentido es el propio ancho de banda (y sus limitaciones obvias) el que nos va a llevar a la necesidad de comprimir la información de color cuando menos.

Aunque este es sólo una parte del problema, la necesidad de trabajar con anchos de banda limitados produce una serie de problemas que deben ser puestos en valor tanto a la hora de realizar las grabaciones pertinentes como en el momento de trasmisión de las mismas. Pero en el mismo problema encontramos la solución pues como ya hemos adelantado algunos párrafos más arriba el ojo humano es bastante más sensible a los cambios en el nivel de luma que los cambios de color, principio básico que debemos aprovechar para plantear la posterior compresión, si es que esta fuere necesaria.

En resumen: utilizaremos una gran parte del ancho de banda para dedicarlo a la luminancia (Y) y menos a la diferencia de los componentes cromáticos (Cb, azul y Cr, rojo) ajustando todo el proceso a la propia capacidad de la visión humana.

Régimen de Colores
Régimen de Colores

Y es justo en este momento, cuando se entiende perfectamente porqué utilizamos un muestreo de señales de crominancia inferior al que empleamos con la señal de luminancia, siendo esta frecuencia inferior la que caracteriza todo el proceso técnico. Por tanto debemos tener muy en cuenta que en el submuestreo 4:2:2 (Y, Cb, Cr) la mitad de la frecuencia de muestreo de  la luminancia va a ser usada para las señales de diferencia de color, requiriendo así sólo dos tercios de la banda que se requeriría para el formato 4:4:4 (R,G,B) que como ya podemos colegir, requiere que todas las señales sean muestreadas a la misma frecuencia, cosa que no ocurre en el resto de los casos.

Toda esta teoría que puede parecer un rollo, tiene un gran componente práctico si tenemos en cuenta el tipo de producción de contenidos en televisión por ejemplo. En este sentido, también tendremos en cuenta que desde que se produce el hecho de la grabación hasta que el espectador visualiza el producto final en su televisor, son varios los ciclos de codificación- descodificación que pueden producirse, alterando el producto final que puede llegar a perder calidad degradando el mismo de modo progresivo y en relación a los ciclos aplicados.

En efecto, si tomamos como ejemplo la producción de una noticia vía ENG en HD, cuando lleguemos al proceso de edición (con una primera compresión en MPEG2 que ya traemos de la grabación) nos enfrentaremos a un posible recodificado posterior con un formato de compresión distinto (y ya van dos) pero acabado todo lo anterior y prevenido el producto final para emisión, en esta nos encontraremos con otra posible recodificación más. Tres en total y por poner el ejemplo más sencillo.

Lo importante de todo esto es que la degradación de la calidad final vendrá produciéndose paso por paso y no sólo por el hecho de la codificación-compresión sino también por otros factores como la conversión de espacios de color, reescalado de imagen y otros factores que acabarán incidiendo en la calidad final de difusión.

Podemos comentar que son varios los esquemas de muestreo posibles tales como 4:4:4, 4:2:2 o 4:2:0; el modelo 4:1:1 existe pero apenas es usado en la actualidad. Ahora bien de todos estos… ¿Cuál debemos utilizar? Pues depende de varios factores, aunque aquí la respuesta obligada es usar siempre que ello sea posible el esquema 4:4:4 (o RAW en cine) pero el inconveniente (grave) es la cantidad de datos que se emplean en el almacenaje y por supuesto la complejidad (y el tiempo a emplear si no se dispone de ordenadores muy potentes) del posterior renderizado. En general y para la mayoría de las televisiones (BBC, TVE, etc.) puede ser aceptado el formato 4:2:2 a 50 mbit/s como estándar televisivo, otra cosa serían las resoluciones y las frecuencias, pero de eso hablaremos en otro momento.

Veamos un pequeño resumen:

Submuestreo de Color
Esquema Submuestreo de Color

Muestreo 4:4:4

Es el ideal en cuanto a calidad, aunque presenta sus propios inconvenientes si tenemos en cuenta factores como almacenamiento y renderizacion. En este esquema no hay pérdida de información y se reserva para el trabajo en entornos donde es necesaria una muy elevada calidad.

Muestreo 4:2:2

En este esquema se recoge exactamente la mitad de la información cromática, resistiendo muy bien la oferta de calidad en producto final. Se usa en entornos normalizados de alta calidad, como los basados por ejemplo en Betacam Digital y los que han sustituido a este sistema, que finalmente también acabará desapareciendo.

Muestreo 4:2:0

Muy parecido en su proceso al anterior con la diferencia que en este caso se recogen dos muestras de Cb, ninguna de Cr, posteriormente ninguna de Cr y dos de Cb funcionando el algoritmo de esta forma sucesivamente. Lo que debemos tener claro en este formato es que obtendremos siempre la mitad de la crominancia existente sea cual sea el orden en la toma de muestras o el color sobre el que se procesa el esquema. Lo encontramos en los JPEG, MJPEG, MPEG, MPEG-2…

Muestreo 4:1:1

Muy fácil de entender este esquema, por cada cuatro muestras de luma se obtiene una de cada valor de croma, reduciéndose de esta forma el ancho de banda (del que hablábamos un poco más arriba) hasta la mitad.

En definitiva, conocer cómo funciona el submuestreo de color y sus correspondientes esquemas nos facilitará (mucho) nuestro trabajo como profesionales del medio. Otro día, más.

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