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8-bit、10-bit、12-bit、4:4:4、4:2:2、4:2:0 是什麼?

8-bit、10-bit、12-bit、4:4:4、4:2:2、4:2:0 是什麼?

Jan 07 2020

從事數位影像創作時,我們經常可以看到以8-bit、10-bit 甚至是12-bit 表示影像處理器的規格,還有錄製設備上以4:4:4、4:2:2、4:2:0表示規格,究竟以上數字代表什麼意思,又究竟對影像的畫質和色彩詮釋有何影響,以下文章將為您解開疑惑。

什麼是色深 – 8-bit10-bit12-bit

色深(Color Depth)亦可稱為色位深度,是指每個像素可以顯示的色階數,並以位元(bit) 數表示數位影像色階數目的單位。

RGB 技術應用於數位影像中,以 0 – 255 級共256個灰階表示色階的變化。如果您熟悉二的指數,應該對於「256」這個數字不會感到陌生,「256」剛好是2的8次方 (2^8),而這也就是所謂的八比特(8-bit)位深,代表光的原色—紅、綠、藍各自帶有256階灰度,再將256乘以三次方 (256^3),就是8-bit 位深所能呈現的色階數量,一共是16,777,216 色。

8-bit 能夠呈現1600 萬以上個色階,看似是一個非常龐大的數量,但是當你將8-bit 與10-bit  相比, 那可算是小巫見大巫。10-bit 位深所能呈現的色階數量是1024的三次方 (1024^3),得到的數字是驚人的1,073,741,824,足足是8-bit 位深的64倍!而12-bit 位深所能呈現的色階數量是4096的三次方 (4096^3) 更是超過680億以上!由此可知,色深的位元數越高,越能細膩詮釋色彩的色階變化。

什麼是色度採樣 – 4:4:44:2:24:2:0

我們常看到 4:4:4、4:2:2、4:2:0 表示錄製設備的色度採樣(Chroma Sampling)規格,在數位圖像處理領域中,色度採樣直接影響拍出來影片的顏色完整度,但究竟4:4:4、4:2:2、4:2:0 分別代表什麼呢?

在進一步解釋色度採樣前,我們首先必須了解一個像素包含了「明度」與「色度」兩組訊息—若將像素中的「色度」抽離,得到的是黑白的畫面,若將像素中的「明度」抽離,得到的會是全黑的畫面。另外,研究發現,人眼對「亮度」的敏感程度高於對「色度」的敏感程度,因此可藉由保留像素上的「明度」訊息,壓縮「色度」訊息,讓多個像素共享一個色度值呈現顏色,如此可以大幅降低數據量卻又能兼顧視覺品質。

在壓縮影像中,以Y’CbCr 表示「色度採樣」,第一個「Y」表示明度(Luma),佔據一個像素1/3的訊息量,明度訊息予以保留,不壓縮;「Cb」、「Cr」則表示兩個不同顏色(Chroma) 分量,佔據一個像素2/3的訊息量,可藉由壓縮降低像素的數據量。以4:4:4 為例,第一個數字「4」代表的是像素的橫向採樣數量,第二個「4」代表的是第一行的色度採樣值,第三個「4」代表的是第二行的色度採樣值,畫面中每個像素都有與之對應的色度和亮度採樣信息。同理,4:2:2 表示第一排的色度採樣有2個顏色值,第二排的色度採樣也有2個顏色值,每個像素都有對應的亮度採樣,但色度採樣數只有4:4:4的一半;4:2:0 表示第一排的色度採樣有2個顏色值,第二排的色度採樣則是沿用鄰近第一排的色值,色度採樣數剩下4:4:4的四分之一了。 

專業廣電級攝影機強在哪?

雖然每個像素是相當微小的單位,單一枚 4:4:4、4:2:2、4:2:0 的像素難以用肉眼察覺顏色上的差異,但是畢竟4:2:0、4:2:2 所含有的色彩訊息不比4:4:4 豐富,因此4:4:4 對於色彩細節的詮釋仍較4:2:0和4:2:2具有優勢。

市場上大多數的消費型數位單眼相機和無反相機為了壓縮影片的檔案大小,普遍是以4:2:0 拍攝影片,雖然在大多數的情況下使用4:2:0 拍攝影片也能得到不錯的畫質效果,但是當您進階執行去背(Chromakey)和後製調色時,將會發現因為像素缺乏更精確的色度值,所以相較於4:4:4 的影片,使用4:2:0 影片進行去背將會變得更困難、更費時,而且去背效果還不若4:4:4 影片的畫面乾淨俐落。因此,專業的影視工作者仍習慣以4:4:4或4:2:2 規格拍攝影片,畢竟擁有較多色彩資訊的原始檔案利於後期製作,最終影片成品再壓縮為4:2:0 規格呈現。這個道理就如同專業攝影師必定會拍攝RAW檔,利用RAW檔修圖後,再將圖片以JPG格式輸出作為後續應用。

了解了色彩採樣的原理之後,讀者們應該就能理解為何消費型相機、手機、小型DV拍不出電視上專業影片的色彩質感,以及廣播級的影視器材到底貴在哪裡。以Datavideo 旗下的BC-100 可交換式鏡頭的魔方攝影機為例,BC-100即是一款專用於虛擬攝影棚所設計的廣電級攝影機,BC-100 搭載的感光元件具備12-bit 影像處理能力,能夠記錄下極大量的色彩訊息,忠實詮釋細膩的色彩層次,另外具備HDR技術 (High Dynamic Range,高動態範圍成像),在明、暗曝光反差極大的環境下,也能還原亮部和暗部的影像細節及其豐富的色彩,宛如人眼所見。豐富的色彩層次與鮮銳的畫質不僅是視覺上的饗宴,更重要的是有利用戶進行綠幕去背時區分像素中的綠色和其他顏色,因此能夠得到相當純淨的去背畫面,即便在虛擬攝影棚中拍攝極具挑戰的題材,例如玻璃酒杯和髮絲,也能夠將極細微的細節與虛擬背景完美地結合。

 

 

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