Farbunterabtastung (Chroma-Unterabtastung)

Farbunterabtastung heißt, dass ein Videosignal die Farbe räumlich gröber ablegt als die Helligkeit. Dafür wird das Bild zunächst in ein Helligkeitssignal und zwei Farbdifferenzsignale zerlegt — letztere beschreiben, wie weit ein Bildpunkt farblich von Grau abweicht. Von diesen beiden Signalen wird dann nur ein Teil der Bildpunkte abgetastet: bei 4:2:2 jeder zweite in waagerechter Richtung, bei 4:2:0 jeder zweite waagerecht und zusätzlich jede zweite Zeile. 4:4:4 bezeichnet den Fall, in dem nichts weggelassen wird.

Was die drei Zahlen bedeuten

Die Schreibweise beschreibt einen gedachten Block von vier Bildpunkten Breite und zwei Zeilen Höhe. Die erste Zahl nennt die Breite dieses Blocks und steht deshalb praktisch immer auf 4. Die zweite Zahl nennt, wie viele Farbabtastwerte in der oberen Zeile liegen. Die dritte Zahl nennt, wie viele davon in der unteren Zeile noch einmal eigenständig abgetastet werden.

Die Werte der letzten Spalte sind der eigentliche Grund für das ganze Verfahren: 4:2:2 kommt mit zwei Dritteln der Datenmenge aus, 4:2:0 mit der Hälfte. Das Helligkeitssignal bleibt in allen drei Fällen unangetastet — die Bildauflösung ändert sich also nicht.

An der Null hängt das häufigste Lesefehler-Risiko der Schreibweise. Sie bedeutet nicht, dass die untere Zeile farblos wäre. Sie bedeutet, dass dort kein eigener Farbwert abgetastet wird: Beide Zeilen teilen sich denselben, senkrecht in der Mitte liegenden Wert. Aus der historischen Reihe stammt auch 4:1:1, bei dem waagerecht nur jeder vierte Wert abgetastet wird; es kommt heute fast nur noch in älteren Aufzeichnungsformaten vor.

Verbindlich festgelegt sind die Raster in der Fernsehnormung. Für Standardauflösung beschreibt die zuständige Empfehlung der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) 4:2:2 über die Abtastfrequenzen — 13,5 MHz für das Helligkeitssignal, 6,75 MHz für jedes der beiden Farbdifferenzsignale, was auf 720 gegenüber 360 Abtastwerten je aktiver Zeile hinausläuft. Für hochdynamisches Bild (HDR) stehen alle drei Raster nebeneinander, jeweils mit der Festlegung, dass der erste Farbabtastwert oben links örtlich mit dem ersten Helligkeitswert zusammenfällt.

Warum das Auge das mitmacht

Hinter dem Verfahren steht eine Messgröße des Sehsystems und keine bloße Übereinkunft der Technik. Die Sehforscherin K. T. Mullen wies 1985 im Journal of Physiology nach, dass die Grenzauflösung für rein farbige Streifenmuster — Rot gegen Grün ebenso wie Blau gegen Gelb — bei etwa 11 bis 12 Perioden je Grad Sehwinkel liegt. Oberhalb von einer halben Periode je Grad reagiert das Auge auf Helligkeitsmuster empfindlicher als auf farbige. Fein aufgelöste Farbe kannst Du also schlicht schlechter sehen als fein aufgelöste Helligkeit, und je feiner das Muster, desto größer der Abstand.

Trotzdem ist der Schritt nicht umsonst zu haben, und die Größenordnungen passen auch nicht sauber aufeinander: 4:2:0 halbiert die Farbauflösung in beiden Richtungen, während der Empfindlichkeitsabstand des Auges vom Muster abhängt und keinen festen Faktor hergibt. Wo Farbe die Form erzeugt — gesättigter Text auf dunklem Grund, dünne farbige Linien, Untertitel mit farbiger Kontur —, wird die Reduktion als Farbsaum oder als weich gewordene Kante sichtbar. Deshalb hat sie sich in der Bewegtbildkette durchgesetzt und in der Rechnerdarstellung nie.

Ein zweiter Punkt wird oft übersehen: Die Reduktion arbeitet auf einem Signal, das die Helligkeit nur näherungsweise vom Farbanteil trennt. Die gebräuchliche Darstellung mit nicht-konstanter Luminanz — in der HDR- Normung ausdrücklich als weit verbreiteter Regelfall und Vorgabewert geführt — lässt einen Rest an Helligkeitsinformation in den Farbdifferenzsignalen zurück. Wird dort unterabgetastet, geht ein kleiner Teil davon mit verloren. Bei gesättigten Farben ist das der Grund, warum 4:2:0 dort mehr kostet als bei blassen.

Wo die Reduktion in der Kette sitzt

Farbunterabtastung ist ein eigener Arbeitsschritt vor der Kompression, kein Teil davon. An dieser Trennung hängt in der Praxis am meisten: Zwei Datenraten lassen sich nur dann vergleichen, wenn auch das Abtastformat übereinstimmt.

Der Schritt selbst besteht aus zwei Teilen, und der erste wird gern vergessen. Bevor Abtastwerte weggelassen werden, wird das Farbdifferenzsignal tiefpassgefiltert — die Norm schreibt das ausdrücklich so und begründet es damit, dass die spektrale Begrenzung Aliasing verhindert. Ohne diese Filterung falten sich feine Farbmuster in grobe Falschfarben um. Die stehen anschließend dauerhaft im Signal und lassen sich später von keinem Anzeigegerät mehr herausrechnen; eine schlecht implementierte Umsetzung fällt genau hier auf.

Der zweite Teil ist die Lage der verbliebenen Abtastwerte, und dort gibt es eine historische Uneinheitlichkeit. Für 4:2:2 fallen die Farbwerte örtlich mit den ungeraden Helligkeitswerten zusammen. Für 4:2:0 haben sich zwei Konventionen etabliert: Die aus der MPEG-2-Welt legt den Farbwert waagerecht auf den Helligkeitswert und senkrecht zwischen zwei Zeilen, die aus der JPEG- und MPEG-1-Welt legt ihn in beiden Richtungen zwischen die Werte. Die neueren Codecs signalisieren die Lage deshalb im Datenstrom mit. Werten Quelle und Anzeige sie verschieden aus, verschiebt sich die Farbe gegenüber der Helligkeit um einen halben Bildpunkt — sichtbar als einseitiger Farbsaum an harten Kanten, der beim Umschalten der Quelle die Seite wechselt.

Am schwersten wiegt in der Planung ein dritter Punkt: Jede Rückumsetzung von 4:2:0 oder 4:2:2 nach 4:4:4 ist Interpolation. Sie erfindet die fehlenden Werte plausibel, holt sie aber nicht zurück. Eine Kette, die mehrfach zwischen den Formaten wechselt, rechnet also mehrfach — und jede Zwischenstufe kann eine andere Konvention annehmen als die vorige.

Häufiges Missverständnis

„4:2:0 wirft drei Viertel der Farbe weg." Weggelassen werden drei Viertel der Abtaststellen der beiden Farbdifferenzsignale, nicht drei Viertel der Farbe. Jeder Bildpunkt behält seinen vollen Farbwert in voller Bittiefe; vier benachbarte Bildpunkte teilen sich nur die Information darüber, welche Farbe das ist. Der darstellbare Farbumfang ändert sich dadurch nicht, die Abstufung ebenfalls nicht. Betroffen ist allein, wie schnell die Farbe von Bildpunkt zu Bildpunkt wechseln darf.

„4:4:4 ist immer die bessere Einstellung." Das gilt nur für Material, das auch in 4:4:4 vorliegt. Filme kommen aus der Vertriebskette in 4:2:0 — die Profile, in denen die gebräuchlichen Vertriebscodecs für Endkunden betrieben werden, lassen gar nichts anderes zu. Stellst Du den Zuspieler auf 4:4:4, verlegst Du damit die Interpolation vom Anzeigegerät ins Quellgerät und verbrauchst auf der Leitung die doppelte Datenrate für Werte, die vorher niemand gemessen hat. Ob das besser aussieht, hängt daran, welches der beiden Geräte den besseren Interpolationsfilter hat — eine Frage, die sich nur am konkreten Aufbau beantworten lässt und nicht am Datenblatt.

„Wenn 4:2:2 angezeigt wird, stimmt etwas nicht." Viele Ketten schalten bei knapper Bandbreite selbsttätig auf ein sparsameres Format, um eine höhere Bittiefe oder Bildwiederholrate zu halten. Das ist eine gewollte Abwägung und oft die richtige. Zum Problem wird es erst, wenn niemand es bemerkt: Das Gerät meldet den Wechsel im Bildinformationspaket der Verbindung, und wer nicht hinsieht, sucht die Ursache eines weichen Bildes später am Objektiv.

Nicht zu verwechseln mit

• Bittiefe: Wie fein die Stufen eines Abtastwerts sind, nicht wie dicht die Abtastwerte liegen — siehe Bittiefe. Beide Größen erscheinen in derselben Formatangabe („4:2:2 bei 10 Bit") und werden deshalb regelmäßig vermengt.
• Farbraum: Welche Farben überhaupt darstellbar sind. Der Farbraum bleibt von der Unterabtastung unberührt.
• Signalwertebereich: Welcher Codewert Schwarz bedeutet und welcher Weiß — eine Frage der Zuordnung, keine der Dichte. Steht beim Signalwertebereich.
• Videocodec: Die eigentliche verlustbehaftete Kompression, die danach folgt. Was der Videocodec leistet, ist von der Unterabtastung unabhängig — die Datenrate eines Codecs sagt ohne die Angabe des Abtastformats deshalb wenig aus.
• Display Stream Compression: Ebenfalls Datenreduktion, aber auf der Leitung und erst nach der Farbabtastung — am Abtastformat ändert sie nichts. Deshalb steht „4:4:4" in Formatangaben als eigene Zusage neben „unkomprimiert"; was Letzteres bedeutet, klärt die Display Stream Compression.

In der Planung

Ein Kino mit Projektor, AV-Prozessor und zwei Quellen: einem UHD-Zuspieler und einem Medienrechner. Der Kunde meldet, Filme sähen gut aus, aber die Menü- und Untertiteldarstellung des Rechners habe rote Ränder an den Buchstaben. Er vermutet den Projektor.

Zu klären ist zuerst, welches Material über welchen Weg läuft und was dieses Material verlangt — vor jeder Einstellung. Der Filmweg braucht kein 4:4:4, weil die Disc es gar nicht liefert; dort ist die Frage entschieden, bevor ein Gerät sie stellt. Der Rechnerweg dagegen erzeugt farbigen Text, und Text ist genau der Fall, in dem gesättigte Farbe die Form macht. Die beschriebenen roten Ränder sind das Lehrbuchbild einer Farbunterabtastung im Desktop-Signal.

Daraus ergibt sich die Verfahrenswahl, und sie fällt für die beiden Wege verschieden aus. Der Rechnerweg wird auf ein Format ohne Farbreduktion festgelegt; das kostet Bandbreite, und ob sie reicht, entscheidet die gesamte Strecke einschließlich Kabel und Streckenverlängerung. Wo sie nicht reicht, ist die ehrlichere Abwägung, die Bildwiederholrate oder die Bittiefe des Desktop-Signals zu senken, statt die Farbreduktion in Kauf zu nehmen. Der Filmweg bleibt unangetastet.

Die Gerätefrage steht am Ende dieser Kette. Am Prozessor ist zu prüfen, ob er das Format je Eingang durchreicht oder umrechnet; am Projektor, in welchem Format das Signal ankommt. Wird an einer Stelle stillschweigend umgesetzt, hilft keine Einstellung am Quellgerät. Und erst wenn der Rechnerweg sauber steht, ist eine Aussage über die Bildkalibrierung überhaupt belastbar — wer vorher misst, misst ein Formatproblem und schreibt es dem Projektor zu.

Verknüpfte Inhalte

Wie viele Stufen ein einzelner Abtastwert hat, klärt die Bittiefe; welche Farben überhaupt in Frage kommen, der Farbraum. Welchen Weg die Ankündigung des Formats durch die Verbindung nimmt, steht beim InfoFrame, welche Formate ein Anzeigegerät überhaupt meldet, beim EDID. Was nach der Unterabtastung mit dem Bild passiert, führt der Videocodec aus; wie eng die Bandbreite auf längeren Strecken wird, das HDBaseT.

Quellen

Die Abtastfrequenzen und die Zahl der Abtastwerte je Zeile für 4:2:2 und 4:4:4, die Pflicht zur Tiefpassfilterung vor der Unterabtastung und die örtliche Zuordnung der Farbwerte zu den ungeraden Helligkeitswerten stammen aus ITU-R BT.601-7; die Empfehlung wurde für diese Seite am Objekt gelesen. Dass 4:2:0 dort nicht vorkommt, ist ein Befund derselben Lesung — das Raster stammt aus der Codec-Normung und ist erst in der HDR-Normung als gleichrangiges Familienmitglied aufgeführt, zusammen mit der Festlegung des ersten Abtastwerts oben links; beides steht in ITU-R BT.2100-3, Tabelle 8, ebenfalls am Objekt gelesen. Die Angaben zur Grenzauflösung des Farbsehens stammen aus der Arbeit von K. T. Mullen im Journal of Physiology, Band 359. Die Beschränkung der gebräuchlichen Vertriebsprofile auf 4:2:0 ist über die Wiedergabe der HEVC-Profilfestlegung in DICOM PS3.5 belegt.