Das Verfahren der Farbreduzierung (Farbunterabtatstung) hat entscheidenden Einfluss auf die Bewertung in der Bildanalyse. Wie wirkt sich die Videokodierung auf Bilddetails und Farbinformationen aus? Wie ist der Farbton Rot davon beeinflusst?

Color Sampling

Color Sampling¹ berücksichtigt den Helligkeitsanteil bei der Abtastung stärker als die beiden Farbanteile. Die Farbunterabtastung der modernen Video-Codecs und Bild-Standards erfolgt dabei im eingesetzten Farbraum YCbCr. Die Kamera (Foto / Video) entspricht vom Aufbau her dem menschlichen Auge. Das Licht wird von der Optik² erfasst und von einem CCD-Element³ in seine Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt, digitalisiert und gespeichert. Die Farbe entsteht additiv durch Überlagerung der drei Farbanteile (RGB-System). Da die Digitalisierung von Videobildern sehr hohe Datenmengen erzeugt, müssen diese reduziert werden. Bei der verlustbehafteten Bildkompression werden gezielt Informationen entfernt, für welche der menschliche Wahrnehmungsapparat unempfindlich ist. Dies führt zu unmittelbarer Datenreduktion und verringert das Volumen der zu kodierenden Werte.

Farbunterabtastung

Um Videobilder darzustellen, sind Helligkeits- und Farbinformationen für jeden einzelnen Bildpunkt nötig, die in der Videotechnik üblicherweise in Form eines Helligkeitssignals und zweier Farbdifferenzsignale verarbeitet und getrennt übertragen werden. Aus den drei Signalen Rot, Grün und Blau werden drei neue Signale er-rechnet. Der Helligkeitsanteil eines Videosignals wird als Luminanz-Signal (Y) bezeichnet. Zwischen den Farbdifferenzsignalen (R-Y, B-Y), die die Chrominanzanteile enthalten, dem Luminanz-Signal (Y) und den Primärfarben (R), (G) und (B) besteht ein direkter mathematischer Zusammenhang⁴.

Da feine örtliche Farbunterschiede vom menschlichen Auge nur schwer wahrgenommen werden, kann die Auflösung der Chrominanzanteile Cb und Cr reduziert werden ohne dass sich ein merklicher Qualitätsunterschied ergibt. JPEG Encoder z. B. reduzieren die Auflösung der Komponenten Cb und Cr typischerweise auf die Hälfte oder ein Viertel ihrer ursprünglichen Größe, ohne dass dies wahrgenommen wird. Es existieren verschiedene Formen der Farbunterabtastung. Üblicherweise wird zur Beschreibung einer Farbunterabtastung eine Notation mit drei durch Doppelpunkte getrennte Zahlen verwendet: A : B : C.⁵

A steht für den Faktor der Abtastrate (Länge in Pixeln) des Luminanzsignals (Y).
B steht für die Abtastrate der beiden Chrominanzkanäle Cb und Cr (die eigentliche Farbunterabtastung).
C steht für die Abtastung in horizontaler und vertikaler Richtung (räumliche Dimension). Es werden acht Pixel analysiert und aufgrund der Verhältnisbeschreibung verarbeitet. Durch die Ziffer C besteht die Möglichkeit, die Farbunterabtastung in beide Richtungen unterschiedlich zu gestalten.

Abtastung in 4 : 2 : 0

Der Luminanz-Anteil wird nicht reduziert. Eine Farbunterabtastung von 4 : 2 : 0 fasst die Farbe von jeweils zwei Pixeln neben- und untereinander zusammen, so dass Quadrate aus vier Pixeln entstehen. Mit dieser Methode ist eine hohe (verlustbehaftete) Datenreduktion von 75 % möglich. Beide Chroma-Kanäle haben nur noch ein Viertel der ursprünglichen Auflösung. Dadurch enthalten sie auch weniger Details. Der Verlust macht sich vor allem bei Rot-Tönen bemerkbar. Die Farbunempfindlichkeit des Auges gilt offenbar für Rot weniger als für Grün und Blau. Deshalb neigen alle MPEG-Codecs bei Einstellungen mit hohem Rotanteil und starken Kontrasten schon früh zur Bildung von Artefakten. Durch die hohe Datenreduktion ist ein Color-Grading (Farbbearbeitung) limitiert. Es ergibt sich hierdurch eine reduzierte Bildqualität durch weniger Bilddetails und geringe Farbinformationen.⁶
Die Kodierung ist typisch bei einem Einsatz von Consumer-Kameras.

Artefakte-Bildung

Besteht ein Bild beispielsweise aus abwechselnd roten und schwarzen 1-Pixel-Linien besteht, wird bei der Unterabtastung das Chroma (hier: Rot) für die schwarzen Pixel weggelassen. Das Chroma der roten Pixel wird dann auf die schwarzen Pixel rekonstruiert. Insbesondere wenn rote Pixel mit schwarzen Pixeln rekonstruiert werden müssen (z. B. bei Kanten und anderen ziemlich scharfen Rot-Schwarz-Grenzen), entstehen Rot-Artefakte, die sich in Form von gezackten Kanten bemerkbar machen.
Ist der Rotanteil in einem Bild sehr gering, wird er von der Datenreduktion vollständig verschluckt und nicht wiederhergestellt.

Chroma-Unterabtastung, die bei der Rekonstruktion von Rot an den Kanten zu Artefak-ten führt und bei anderen Farbkanten nicht auftritt.

Header (Ausschnitt Color Sampling)⁷

1. auch Chroma Subsampling, Color Subsampling, Farbunterabtastung [↩]
2. vergleichbar mit einem menschlichen Auge [↩]
3. vergleichbar mit den Zapfen im Auge [↩]
4. U = Cb = 0,493 (B-Y), V = Cr = 0,877 (R-Y) [↩]
5. Die Zahlen A, B und C haben folgende Bedeutung: A : B : C = Y : Cb : Cr [↩]
6. Die Datenmenge beträgt 8 + 2 + 2 = 12 Bit/Pixel, dementsprechend die Hälfte zur 4 : 4 : 4-Digitalisierung. [↩]
7. By Mackenziemacaroni – Own work, CC BY-SA 4.0, Link [↩]