YUV ตัวลบพื้นหลัง

YCbCrA เป็นพื้นที่สีและรูปแบบภาพที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการบีบอัดวิดีโอและภาพดิจิทัล แยกข้อมูลความสว่าง (luma) ออกจากข้อมูลสี (chroma) เพื่อให้สามารถบีบอัดได้อย่างอิสระเพื่อการเข้ารหัสที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น พื้นที่สี YCbCrA เป็นรูปแบบหนึ่งของพื้นที่สี YCbCr ที่เพิ่มช่องอัลฟาสำหรับความโปร่งใส

ในพื้นที่สี YCbCrA Y แทนองค์ประกอบความสว่าง ซึ่งเป็นความสว่างหรือความเข้มของพิกเซล คำนวณเป็นผลรวมถ่วงน้ำหนักขององค์ประกอบสีแดง เขียว และน้ำเงินตามวิธีที่ดวงตามนุษย์รับรู้ความสว่าง น้ำหนักจะถูกเลือกเพื่อประมาณฟังก์ชันความสว่าง ซึ่งอธิบายความไวต่อสเปกตรัมโดยเฉลี่ยของการรับรู้ภาพของมนุษย์ องค์ประกอบความสว่างกำหนดความสว่างที่รับรู้ได้ของพิกเซล

Cb และ Cr เป็นองค์ประกอบความแตกต่างของสีน้ำเงินและสีแดงตามลำดับ แสดงข้อมูลสีในภาพ Cb คำนวณโดยการลบความสว่างออกจากองค์ประกอบสีน้ำเงิน ในขณะที่ Cr คำนวณโดยการลบความสว่างออกจากองค์ประกอบสีแดง โดยการแยกข้อมูลสีออกเป็นองค์ประกอบความแตกต่างของสีเหล่านี้ YCbCrA ช่วยให้สามารถบีบอัดข้อมูลสีได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าใน RGB

ช่องอัลฟา (A) ใน YCbCrA แสดงความโปร่งใสหรือความทึบของแต่ละพิกเซล ระบุว่าสีของพิกเซลใดควรผสมกับพื้นหลังเมื่อแสดงภาพ ค่าอัลฟา 0 หมายความว่าพิกเซลโปร่งใสอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่ค่าอัลฟา 1 (หรือ 255 ในการแสดงแบบ 8 บิต) หมายความว่าพิกเซลทึบแสงอย่างสมบูรณ์ ค่าอัลฟาระหว่าง 0 ถึง 1 ส่งผลให้พิกเซลโปร่งใสบางส่วนที่ผสมกับพื้นหลังในระดับต่างๆ

ข้อได้เปรียบหลักประการหนึ่งของพื้นที่สี YCbCrA คือช่วยให้บีบอัดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเทียบกับ RGB ระบบการมองเห็นของมนุษย์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงความสว่างมากกว่าการเปลี่ยนแปลงสี โดยการแยกข้อมูลความสว่างและสี YCbCrA ทำให้ตัวเข้ารหัสสามารถจัดสรรบิตเพิ่มเติมให้กับองค์ประกอบความสว่าง ซึ่งมีข้อมูลที่สำคัญที่สุดในเชิงการรับรู้ ในขณะที่บีบอัดองค์ประกอบสีอย่างรุนแรงยิ่งขึ้น

ในระหว่างการบีบอัด องค์ประกอบความสว่างและสีสามารถสุ่มตัวอย่างย่อยด้วยอัตราที่แตกต่างกัน การสุ่มตัวอย่างย่อยจะลดความละเอียดเชิงพื้นที่ขององค์ประกอบสีในขณะที่รักษาความละเอียดเต็มขององค์ประกอบความสว่าง โครงร่างการสุ่มตัวอย่างย่อยทั่วไป ได้แก่ 4:4:4 (ไม่สุ่มตัวอย่างย่อย) 4:2:2 (สีสุ่มตัวอย่างย่อยในแนวนอนด้วยปัจจัย 2) และ 4:2:0 (สีสุ่มตัวอย่างย่อยในแนวนอนและแนวตั้งด้วยปัจจัย 2) การสุ่มตัวอย่างย่อยใช้ประโยชน์จากความไวที่ต่ำกว่าของระบบการมองเห็นของมนุษย์ต่อรายละเอียดสี ช่วยให้มีอัตราการบีบอัดที่สูงขึ้นโดยไม่สูญเสียคุณภาพการรับรู้ที่สำคัญ

รูปแบบภาพ YCbCrA ใช้กันอย่างแพร่หลายในมาตรฐานการบีบอัดวิดีโอและภาพ เช่น JPEG, MPEG และ H.264/AVC มาตรฐานเหล่านี้ใช้เทคนิคต่างๆ เพื่อบีบอัดข้อมูล YCbCrA รวมถึงการสุ่มตัวอย่างย่อยของสี การแปลงโคไซน์แบบไม่ต่อเนื่อง (DCT) การหาปริมาณ และการเข้ารหัสเอนโทรปี

เมื่อบีบอัดเฟรมภาพหรือวิดีโอ ข้อมูล YCbCrA จะผ่านการแปลงและขั้นตอนการบีบอัดหลายชุด ขั้นแรกแปลงภาพจาก RGB เป็นพื้นที่สี YCbCrA จากนั้นแบ่งองค์ประกอบความสว่างและสีออกเป็นบล็อก โดยปกติจะมีขนาด 8x8 หรือ 16x16 พิกเซล แต่ละบล็อกจะผ่านการแปลงโคไซน์แบบไม่ต่อเนื่อง (DCT) ซึ่งแปลงค่าพิกเซลเชิงพื้นที่เป็นค่าสัมประสิทธิ์ความถี่

จากนั้นหาปริมาณค่าสัมประสิทธิ์ DCT ซึ่งจะหารค่าสัมประสิทธิ์แต่ละค่าด้วยขนาดขั้นตอนการหาปริมาณและปัดผลลัพธ์เป็นจำนวนเต็มที่ใกล้ที่สุด การหาปริมาณจะนำไปสู่การบีบอัดแบบสูญเสียโดยการละทิ้งข้อมูลความถี่สูงที่มีความสำคัญน้อยกว่าในเชิงการรับรู้ ขนาดขั้นตอนการหาปริมาณสามารถปรับได้เพื่อควบคุมการแลกเปลี่ยนระหว่างอัตราการบีบอัดและคุณภาพของภาพ

หลังจากการหาปริมาณ ค่าสัมประสิทธิ์จะถูกจัดเรียงใหม่ในรูปแบบซิกแซกเพื่อจัดกลุ่มค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ต่ำเข้าด้วยกัน ซึ่งมักจะมีขนาดใหญ่กว่า ค่าสัมประสิทธิ์ที่จัดเรียงใหม่จะถูกเข้ารหัสเอนโทรปีโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การเข้ารหัส Huffman หรือการเข้ารหัสเลขคณิต การเข้ารหัสเอนโทรปีจะกำหนดรหัสคำที่สั้นกว่าให้กับค่าสัมประสิทธิ์ที่เกิดขึ้นบ่อยกว่า ซึ่งจะช่วยลดขนาดของข้อมูลที่บีบอัดลงอีก

ในการถอดรหัสภาพ YCbCrA จะใช้กระบวนการย้อนกลับ ถอดรหัสข้อมูลที่เข้ารหัสเอนโทรปีเพื่อดึงค่าสัมประสิทธิ์ DCT ที่หาปริมาณแล้ว จากนั้นหาปริมาณค่าสัมประสิทธิ์โดยการคูณด้วยขนาดขั้นตอนการหาปริมาณที่สอดคล้องกัน ดำเนินการ DCT ย้อนกลับกับค่าสัมประสิทธิ์ที่หาปริมาณแล้วเพื่อสร้างบล็อก YCbCrA ใหม่ ในที่สุดแปลงข้อมูล YCbCrA กลับเป็นพื้นที่สี RGB เพื่อแสดงหรือประมวลผลเพิ่มเติม

ช่องอัลฟาใน YCbCrA มักจะถูกบีบอัดแยกต่างหากจากองค์ประกอบความสว่างและสี สามารถเข้ารหัสได้โดยใช้วิธีต่างๆ เช่น การเข้ารหัสความยาวการทำงานหรือการบีบอัดแบบแบ่งบล็อก ช่องอัลฟาช่วยให้เกิดเอฟเฟกต์ความโปร่งใส เช่น การซ้อนภาพหรือวิดีโอทับกันด้วยความทึบแสงที่แปรผัน

YCbCrA มีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือพื้นที่สีและรูปแบบภาพอื่นๆ การแยกข้อมูลความสว่างและสีช่วยให้บีบอัดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เนื่องจากระบบการมองเห็นของมนุษย์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงความสว่างมากกว่าการเปลี่ยนแปลงสี การสุ่มตัวอย่างย่อยขององค์ประกอบสีจะช่วยลดปริมาณข้อมูลที่ต้องบีบอัดลงโดยไม่ส่งผลกระทบต่อคุณภาพการรับรู้มากนัก

ยิ่งไปกว่านั้น ความเข้ากันได้ของ YCbCrA กับมาตรฐานการบีบอัดยอดนิยม เช่น JPEG และ MPEG ทำให้ได้รับการสนับสนุนอย่างกว้างขวางในแพลตฟอร์มและอุปกรณ์ต่างๆ ความสามารถในการรวมช่องอัลฟาสำหรับความโปร่งใสยังทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการจัดองค์ประกอบหรือการผสมภาพ

อย่างไรก็ตาม YCbCrA ก็มีข้อจำกัด การแปลงจาก RGB เป็น YCbCrA และกลับคืนมาอาจทำให้เกิดการบิดเบือนสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากองค์ประกอบสีถูกบีบอัดอย่างมาก การสุ่มตัวอย่างย่อยขององค์ประกอบสีอาจทำให้เกิดการเลือดสีหรือสิ่งประดิษฐ์ในบริเวณที่มีการเปลี่ยนสีที่คมชัด

แม้จะมีข้อจำกัดเหล่านี้ YCbCrA ยังคงเป็นตัวเลือกยอดนิยมสำหรับการบีบอัดภาพและวิดีโอเนื่องจากประสิทธิภาพและการสนับสนุนที่แพร่หลาย สร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการบีบอัดและคุณภาพของภาพ ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่หลากหลาย ตั้งแต่กล้องดิจิทัลและการสตรีมวิดีโอไปจนถึงกราฟิกและเกม

เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า เทคนิคและรูปแบบการบีบอ