色彩深度與色彩取樣

 常常聽專業的說哪台機器有422、又有10bit色彩……我只知道HD和4K,到底有什麼差?

影像的好壞並不該只以畫素來判斷而已,今天要以淺白易懂的方式來解釋「色彩深度」與「色彩取樣」,這只是影像概論的冰山一角,卻是身為動態攝影師必須具備的重要知識。

 

一、色彩深度(8bit、10bit)

8bit的色彩,每個色彩在灰階度上有256種色階,而10bit的有1024個色階,所以就色彩的深度,10bit達8bit的4倍。

位元深度不夠高差在哪? 最明顯的就是在漸層上的反應,色彩深度不夠時,原本該美麗平順的漸層成了”色塊”,這就叫作Banding。

以為10bit色彩的檔案會比8bit色彩的檔案來得肥大? 其實是相反的,在同等的壓縮品質下,10bit的檔案比8bit檔案來得更輕盈,究竟是為什麼呢? 色彩在編碼時,會採用一種叫抖動(dither)的技術,也就是在每個色塊的中間加上彼色的色點,以達到邊緣糢糊(如下面中間的圖),目的讓漸層的色塊看起來不那麼”塊狀”(banding)(如下面左邊的圖),而8bit編碼時因為本身”色彩不夠豐富”,為避免banding產生了更重的dither效果,產生更多小點點造成更多的冗餘資訊,所以輸出檔案更大。而且雖然小點點讓色塊與色塊之間的接縫不會那麼生硬,卻可能讓整張圖的噪比過高,好比拍照時ISO開太高的雜訊。相對10bit的影像在編碼時因本身色彩較豐富,經過dither而產生的噪點低了許多,甚至不需要dither也可十分細緻。

如果素材是直出不經過調色的話,基本上人眼是看不太出差異的。那為何還要追求10bit? 因為給予後製相對高的調色空間。下圖右方就是低位元色彩卻大幅調色的慘況:BANDING!!

所以我們已經知道色彩深度的概念,但為何大多機器錄製的格式,都還是以8bit做為基礎? 大家學電腦時應該都學過,一個位元組(Byte)是由8個位元所組成,大多數的轉碼解碼器也都是以8進位的方式在做運算,對於10bit的編/轉碼不是不支援,就是效率過低。

現市面上支援紀錄10bit色彩訊息的攝影機,都有專門的晶片在處理10bit編碼,貴也是貴在這裡,所以大多消費級或是專業入門級的機種,都還是以8bit的影像紀錄為基準,其色彩已可滿足大部份基本的要求。

二、色彩取樣(4:2:2、4:2:0)

前面講到的是色彩的深度,現在要來講的是影像的色彩取樣,為什麼說是取樣呢? 因為影像在錄製時,在頻寬不夠、色彩資訊無法大量傳送的情況下,必須進行壓縮,而部份畫素在壓縮時失去了色彩資訊,只好跟隔壁有色彩的畫素進行”取樣”。

首先,影像的組成有兩個東西,就是亮度(Luma)和色度(Chorma),如下圖。

早期研究開發影像的人就知道,人眼對於明暗的敏感度是大於色彩的敏感度的。所以當傳輸影像的頻寬不足時,機器的作法就是:「保留明暗度,犧牲彩度」,我們常聽的422、420…就是這個情況下誕生的。

下圖以一個4×4像素的影像來說明,黑白球為明暗度取樣(Y),彩色球為色彩(CrCb)取樣:

解釋水平、垂直取樣…只會讓你更混淆,不玩文字遊戲,自己仔細看上圖就會發現其數字與色彩採樣之間的關係:沒有彩色球的畫素,就以上一個有彩色球的畫素的色彩,套用至自己的畫素,這就是色彩的取樣。

每個畫素一定都有明暗度的取樣,所以畫面的精細度可以完整保留,但彩度就會依不同的壓縮導致細節產生折損,你可以想像是10bit的色彩被砍成8bit、甚至6bit。這樣的素材直接觀看上可能還好,一旦調色,也容易發生banding,如下圖。

未經調色前,看不出有何差異:

經過Curve把對比拉高後,會發現同樣是8bit,4:2:2的表現還是比4:2:0表現好了許多,更別說是10bit 4:2:2了:

三、結論

色彩深度和色彩取樣是不會直接影響到解析度的,直接影響解析度的是實際畫素(Pixel)。

大型的拍攝案,如電影或廣告,對於素材擷取和後製調校、合成,都有很高的要求,在此情形下,拍攝10bit 4:2:2才有它的意義所在。

然而,即使10bit 4:2:2是最佳品質,最終端輸出、呈現在觀眾眼前的,仍是以8bit 4:2:0為主,網路媒體、藍光影片也都仍以8bit作為主要色彩,大多液晶螢幕也是只支援8bit,所以別在8bit的螢幕前告訴我你看不出這兩種色彩的影像有什麼差別。電視方面則不斷在提昇色彩的處理能力,現大廠電視為了讓色彩不失真,通常會採用12/14/16 bit的影像晶片來轉碼,但實際顯示的色彩仍以8bit最多,再來才是10bit。

有人會想問:「那4:4:4是RAW嗎?」答案是否定的,雖然也是未壓縮的影像,但RAW檔為攝影機/相機廠商自有的CMOS元件導出資訊,故無法拿來和YCbCr的取樣方式做比較。

所以拍攝時要不要追求10bit 4:2:2? 不如先想想最終影片要達成的目標、需要經過什麼樣的處理,否則沒事拍了一堆超高品質的素材回來折磨自己的CPU和顯卡,恐怕也只是事倍功半。

 

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