El submuestreo de croma implica la compresión de la información de color en las secuencias de video para reducir el tamaño de almacenamiento general y la tasa de bits de los archivos de video. Es un método utilizado en múltiples códecs de video, y la cantidad de compresión que ocurre a menudo se expresa como un conjunto de números como 4:2:2. En lugar de servirle una sopa de números, permítanos asegurarnos de que tenga una explicación de lo que significa. Ya sea 4:4:4 o 4:2:0, esta especificación puede tener un impacto profundo en un video, especialmente durante la posproducción.
Píxeles:los componentes básicos del vídeo
Para comprender el submuestreo de croma, es importante comprender cómo se crea una imagen en un cuadro de video. En los términos más simples, una imagen de video se compone de píxeles:puntos solitarios alineados en filas en la pantalla. Cada píxel tiene una luminancia y una crominancia específicas, ambas determinadas por los datos que definen ese píxel. La luminancia se refiere a qué tan brillante es un píxel, crea contraste y detalles dentro de la imagen general. Si la información de luminancia está aislada, sin la información de croma, la imagen resultante será en blanco y negro. Técnicamente, sería una escala de grises, ya que hay profundidades de contraste variables entre el negro puro y el blanco puro.
La crominancia es la información de color de un píxel, determina si un píxel es rojo, verde, azul o en algún punto intermedio. Hay varios espacios de color mediante los cuales se representa el color, independientemente de cuál, el método básico de submuestreo de croma es el mismo. Mientras que la luminancia puede generar una imagen en blanco y negro cuando está aislada, la crominancia se vuelve negra cuando está aislada. Depende de la luminancia para crear una imagen. La crominancia es el dato que define el color y cuánto de ese color se representa en cada píxel. El submuestreo de croma es una reducción de la información de color. Se logra mediante el intercambio de datos de un píxel en una muestra de varios píxeles, menos de los que componen la imagen completa.
El ojo humano
El submuestreo de croma es efectivo y exitoso, no solo por la anatomía del video, sino también por el ojo humano y cómo ve el color e interpreta las imágenes. El ojo humano es una parte notable del sistema nervioso central. Es capaz de capturar y enfocar la luz en sus fotorreceptores y entregar los datos de esa entrada visual al cerebro. Los fotorreceptores son las células que recubren la parte posterior del ojo en la retina, donde se enfoca la luz. Hay dos tipos básicos de células fotorreceptoras:bastones y conos. Los bastones son muy sensibles a la luz y son acromáticos, lo que significa que no ven el color. Los conos son menos sensibles a la luz pero son cromáticos, capaces de percibir el color.
Hay 100 o más millones de células fotorreceptoras, y menos del 20 por ciento de ellas son conos en comparación con bastones. Esta es la razón por la que el ojo humano es más sensible a la luminancia, la parte de brillo y contraste de una imagen y menos sensible a la croma, la información de color de una imagen. Cuando las porciones de luminancia y crominancia se combinan para crear la imagen general, una cantidad degradada o comprimida de información cromática no es muy perceptible. El ojo humano ve la imagen general, con la nitidez de esa imagen definida por la información de luminancia y crominancia compuesta en su interior. El ojo pasa por alto el hecho de que hay información menos detallada en la crominancia y se percibe la imagen completa.
¿Cómo funciona el submuestreo de croma?
Para que el submuestreo de croma funcione y se reduzca el tamaño de los datos de una imagen, los ingenieros descubrieron una manera de compartir la información de croma en un rango de píxeles mientras se mantiene una cantidad diferente de información de luminancia para ese mismo rango de píxeles. La selección de información de una parte de una imagen se conoce como muestreo. El submuestreo es la selección de píxeles específicos, pero no de todos los píxeles, para determinar la información cromática que se utiliza como representativa de todos los píxeles. El submuestreo es una porción, o fracción, del muestreo de crominancia general en una imagen.
El submuestreo de croma se expresa como una fórmula numérica que representa la proporción de píxeles utilizados en el submuestreo de ese clip. Esta relación está representada por tres números, separados por dos puntos. Escrito aparece como J:a:b, esta es una proporción del ancho de píxel de una región de muestreo en comparación con la cantidad de píxeles muestreados de cada fila en esa región de muestreo. "J" es el número total representativo de píxeles en la región de muestreo horizontal. En la mayoría de los casos, "J" será igual a cuatro.
Los siguientes dos números de la relación, los dígitos "a" y "b", se refieren a la resolución vertical que se muestrea en la región de muestreo "J". El segundo dígito de la relación, la posición "a", es el número de píxeles muestreados entre la primera fila de píxeles definidos por "J". La posición "b" de la relación es el número de píxeles muestreados entre la segunda fila de píxeles en la región "J". Hay códecs que notarán una cuarta posición en la relación, representa el muestreo de píxeles para un canal alfa.
Proporciones de submuestreo de croma común
Esta es la calidad más alta y efectivamente no tiene submuestreo. Cada píxel está representado y conserva sus propios valores de luminancia y croma. Las mejores cámaras de video tendrán la capacidad de generar croma 4:4:4. Estas son herramientas de grado profesional y tienen un precio acorde.
El muestreo de croma 4:2:2 toma muestras de dos píxeles de las filas superior e inferior. Esto reduce la información de croma al 50 por ciento del croma de origen sin comprimir. Esta es una de las muestras más populares y se encuentra en códecs como AVC-Intra 100, Digital Betacam, Panasonic DVCPRO HD, Apple ProRes 422 y XDCAM HD422.
El muestreo 4:2:0 más reducido toma dos muestras de croma de la fila de píxeles superior "a" y ninguna de la fila inferior "b". En cambio, la fila inferior comparte información de choma del muestreo de la fila superior. Esto reduce la información de croma general a aproximadamente el 25 por ciento del croma sin comprimir. La configuración de muestreo 4:2:0 es común en material de archivo HDV, AVCHD, el códec intermedio de Apple y en muchos de los formatos de video codificados MPEG utilizados por las cámaras DSLR.
Un muestreo de croma de 4:1:1 también reduce la cantidad de información cromática al 25 por ciento. Toma una muestra de la fila superior "a" de píxeles y una muestra de la fila inferior "b" de píxeles. Un muestreo de 4:1:1 es la relación de muestreo que se encuentra en DVCPRO, DVCAM y en NTSC DV.
¿Qué significa todo esto?
Las decisiones estéticas de un productor de video están limitadas por los límites técnicos de su metraje. Por eso es importante comprender el submuestreo de croma y lo que le hace al material de archivo. La codificación de croma y la gradación de color son dos procesos de posproducción que se ven afectados por el submuestreo de croma.
El material de archivo que se basa en gran medida en el submuestreo de croma producirá resultados deficientes al cromatear. El software de composición de video puede crear transparencia seleccionando un color particular o una gama de colores en un clip y aplicando esa selección a un canal alfa. El canal alfa crea transparencia en la imagen. La calidad de la información de color en la imagen es el factor principal para extraer una clave limpia del metraje de pantalla verde. La iluminación desigual o la consistencia del color dificultarán la creación de áreas limpias de transparencia. El submuestreo de croma se hace evidente en los bordes del metraje con clave porque la clave se basa en la información de croma compartida en bloques de píxeles. El metraje con un submuestreo de croma equivalente a 4:1:1, o menos, dará como resultado artefactos de borde de bloque a lo largo del borde de la clave. Incluso las imágenes con una proporción de 4:2:2 contendrán algunos artefactos de bloque. Las claves más limpias provienen de metraje con una proporción de 4:4:4 sin comprimir.
La gradación de color es el proceso de posproducción de cambiar la dinámica del color en el material de archivo para lograr un objetivo estético. A veces, la gradación de color es sutil con cambios que no se notan. Otras veces, los grados de color son drásticos con cambios significativos en el color y el rango dinámico de una imagen. Cuando la información de croma se reduce debido al submuestreo de croma, la gradación de color dinámica puede revelar artefactos digitales en el metraje. Esto se ve con mayor frecuencia en las bandas que se producen a lo largo de los gradientes de color. En lugar de una transición suave de un color al siguiente, aparecen bandas de color como pasos graduados entre los dos colores.
El razonamiento para esto es simple:el submuestreo de croma reduce la cantidad de información de color entre dos regiones de una imagen. A medida que estos colores cambian a través de la gradación de color, los pasos de color entre ellos, el submuestreo de croma, se vuelven más evidentes. Es como si estuvieran estirados. Esta es otra razón por la que los productores que trabajan en proyectos comerciales, que requieren grados de color intensos, eligen trabajar con imágenes de la más alta calidad permitida por sus presupuestos.
Acceso a salida 4:4:4
El submuestreo de croma ayuda a comprimir el tamaño total de los archivos de video, pero puede ser más complicado trabajar con esos archivos en la posproducción. Esto es algo a tener en cuenta cuando ese metraje se utiliza para trabajos de pantalla verde, efectos visuales y gradación de color seria. Hay más libertad para lo que se puede hacer con el metraje en posproducción cuando hay una mayor cantidad de información de color en la imagen. La mejor opción para cualquier video grabado y procesado es tener un video sin comprimir con un submuestreo de croma de 4:4:4.
El problema radica en el hecho de que la mayoría de las cámaras graban internamente en medios de estado sólido, lo que requiere video comprimido con submuestreo de croma de 4:2:2 o menos. La mayoría de las cámaras de video y DSLR tienen una salida de video, como SDI o HDMI. Dependiendo del sensor de imagen de la cámara, así como de su procesador de imagen, puede tener la capacidad de generar video con submuestreo de croma 4:4:4. Cuando esta salida de video se combina con un dispositivo de grabación externo o una computadora equipada con una tarjeta de captura de video de alta gama y el software correspondiente, se convierte en una herramienta poderosa.
Si la cámara es capaz de generar video en color 4:4:4 y se conecta un dispositivo de grabación externo capaz de grabar la señal, el video resultante será más adecuado para los procesos de posproducción. Esta es la razón por la que en muchas tomas de efectos visuales de estudio, como la captura de pantalla verde, hay un gran equipo de cámara conectado a una computadora. El manual técnico de una cámara es el mejor lugar para averiguar si es capaz de generar color 4:4:4. Los foros en línea dedicados a las mejores cámaras de video tendrán discusiones profundas sobre las mejores formas de generar video sin comprimir.
Sepa lo que hay debajo de la piel
Un productor necesita conocer las limitaciones técnicas de su metraje y lo que puede hacer con él. Hay muchas situaciones de filmación en las que resulta ventajoso capturar metraje que depende en gran medida del submuestreo de croma para comprimir la imagen, ahorrar espacio y reducir gastos. También hay situaciones en las que es fundamental adquirir material de archivo con la resolución más alta posible, material de archivo sin comprimir sin submuestreo de croma.
El submuestreo de croma es parte de la anatomía oculta del video y funciona dentro de su cuerpo anfitrión. Al tener un conocimiento sólido de lo que es el submuestreo de croma, los productores están mejor preparados para manipular su video y obtener los resultados que desean.
Chris "Ace" Gates es un escritor y productor de contenido ganador de un premio Emmy.