Farbcodierung und Farbsubsampling entschlüsselt

Während die Helligkeit jedes Pixels einzeln gespeichert wird, fasst die Farbunterabtastung von 4:2:0 die Farbe von jeweils zwei Pixeln neben- und untereinander zusammen, so dass Quadrate aus vier Pixeln entstehen und viel Speicherplatz gespart wird. [Foto: MediaNord]

Die Farbtiefe eines Videos oder Fotos wird in Bit angegeben, wobei jedes Bit für zwei Werte steht. Während man mit einem Bit also nur zwei Werte speichern kann, verdoppelt sich mit jedem weiteren Bit die Anzahl der speicherbaren Werte, also vier Werte bei zwei Bit, acht Werte bei drei Bit, 16 Werte bei vier Bit usw. Bei acht Bit lassen sich bereits 256 Werte abbilden, was bei verschiedenen Anwendungen der Mindeststandard für einen Helligkeitswert einer Farbe ist, etwa bei Fotos, Bildschirmen etc.

Bei Fotos und Bildschirmen setzen sich die "echten" Farben aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) zusammen. Bei einer Farbtiefe von 8 Bit kann ein Farbkanal 256 Helligkeitsstufen aufzeichnen. Bei drei Farbkanälen sind das dann knapp 16,7 Millionen Farben. Erhöht man die Farbtiefe auf 10 Bit, kann ein Farbkanal bereits 1.024 Helligkeitsstufen aufzeichnen, was bei drei Farbkanälen schon mehr als eine Milliarde Farben sind. Durch die feineren Abstufungen sind auch die Tiefen und Lichter feiner durchgezeichnet, wodurch sich effektiv ein höherer Dynamikumfang darstellen lässt. 10 Bit reichen bereits aus, um beispielsweise HDR-Videoaufnahmen darzustellen.

Weitere gebräuchliche Farbtiefen sind 12 Bit, womit sich 4.096 Helligkeitsstufen und bei drei Farbkanälen fast 70 Milliarden Farben darstellen lassen, 14 Bit, womit sich 16.384 Helligkeitsstufen und bei drei Farbkanälen fast 4,4 Billionen Farben darstellen lassen und 16 Bit, womit sich 65.536 Helligkeitsstufen und bei drei Farbkanälen fast 281,5 Billionen Farben darstellen lassen.

Eine Farbtiefe von 8 Bit kommt bei vielen Foto-Dateiformaten, darunter JPEG, sowie Videos zum Einsatz. 10 Bit kommen bei Videos zum Einsatz, 12 Bit ebenfalls bei Videos, aber auch Fotos, beispielsweise dem Rohdatenformat der meisten Kameras mit (Micro-) Four-Thirds-Bildsensor. 14 Bit ist die wohl gängigste Farbtiefe beim Rohdatenformat und kommt bei den allermeisten Kameras zum Einsatz. Mit 16 Bit Farbtiefe wird gerne in der Bildbearbeitung gearbeitet, um beim Bearbeiten möglichst keine Bildinformationen zu verlieren, gespeichert werden 16 Bit beispielsweise im TIFF-Format.

Während die Helligkeit jedes Pixels einzeln gespeichert wird, fasst eine Farbunterabtastung von 4:2:2 jeweils zwei Pixel nebeneinander zusammen, die übereinander aber nicht, eine höhere Farbgenauigkeit ist die Folge, was aber mehr Speicherplatz kostet. [Foto: MediaNord]

Um eine hohe Farbtiefe in möglichst kleinen Foto- oder Videodateien abspeichern zu können, kommen verlustbehaftete Komprimierungsverfahren zum Einsatz. Die Farbinformationen werden dabei mit einer geringeren Abtastrate gespeichert als die Helligkeitsinformationen. Der Grund dafür ist, dass das menschliche Auge Farbe nicht so hochauflösend wahrnimmt wie Helligkeitsinformationen. Unsere Augen nehmen kleine Helligkeitsunterschiede viel besser wahr als Farbunterschiede, Abweichungen in den Farbsättigung werden noch schwächer wahrgenommen. Deswegen lässt sich bei gleicher Helligkeit grauer Text vor schwarzem Hintergrund viel besser lesen als ein grüner vor blauem Hintergrund.

Voraussetzung zur getrennten Speicherung von Helligkeit und Farben, damit man bei letzteren durch weniger genaue Speicherung eine kleinere Datenmenge erreichen kann, ist ein geeignetes Farbmodell, das Farb- und Helligkeitsinformationen getrennt beschreiben kann, was bei RGB nicht der Fall ist. Stattdessen kommt YCbCr als Farbmodell zum Einsatz. Y beschreibt die Helligkeit, Cb und Cr beschreibt die Farben auf zwei Achsen. Cb ist die Farbigkeit auf der Blau-Gelb-Achse (Chrominance Blue-Yellow im Englischen, daher Cb), Cr ist die Farbigkeit auf der Rot-Grün-Achse (Chrominance Red-Green, daher Cr). Auch dies orientiert sich wieder am menschlichen Auge. Mit für den Laien komplizierten mathematischen Formeln lassen sich RGB und YCbCr ineinander umrechnen.

In der Fotografie beziehungsweise Bildbearbeitung gibt es mit Lab ein ähnliches Farbmodell. Dabei beschreibt L die Helligkeitsinformationen und a und b die Farbinformationen. Um also die Informationen verlustbehaftet komprimieren zu können, ohne dass wir es wahrnehmen, muss die Helligkeit der einzelnen Pixel unangetastet bleiben, also verlustfrei gespeichert werden. Mit dem so genannten Farbsubsampling (Farbunterabtastung) werden bei JPEG- aber auch in (vor allem MPEG-) Videoformaten die Farben mehrerer Pixel hingegen zusammengefasst (sie unterscheiden sich dann nur noch in der Helligkeit), womit allein im JPEG-Format bereits 50 Prozent der Daten gespart werden können.

Bei der Farbunterabtastung von 4:4:4 wird die Farbe genau wie die Helligkeit jedes Pixels getrennt abgetastet. Die Farbgenauigkeit ist wie auch der Speicherbedarf sehr hoch. [Foto: MediaNord]

Das Farbsubsampling wird mit drei durch Doppelpunkte getrennten Zahlen als Verhältnis beschrieben, zum Beispiel 4:2:2. Die erste Zahl in dem Verhältnis 4:2:2 gibt die Länge (in Pixeln) eines aus zwei Zeilen bestehenden Pixelbereichs an, der also aus vier mal zwei Pixeln besteht. Die zweite Zahl in 4:2:2 steht für die Abtastrate der Farbwerte. Bei der Angabe zwei werden Farbwerte von zwei nebeneinander liegenden Pixeln aus dem vier Pixel breiten Bereich zusammengefasst. Bei diesem Wert handelt es sich um die eigentliche Farbunterabtastung. Die dritte und letzte Ziffer in 4:2:2 bezeichnet ebenfalls die Farbunterabtastung, aber für die zweite Zeile des Pixelbereichs. Bei diesem System werden also immer acht Pixel analysiert und aufgrund der Verhältnisbeschreibung verarbeitet.

Nehmen wir also einfach mal an, dass Sie die Pixelinformationen aus Ihrer Kamera auf vier Pixeln Länge und zwei Pixeln Höhe betrachten und die Farbunterabtastung von 4:2:0 benutzen. In der oberen Zeile besitzen die Pixel die Farben R G B R (R=Rot, G=Grün, B=Blau, nicht zu verwechseln mit den weiter oben erwähnten Farbkanälen). Die zweite Zeile direkt darunter zeigt die Farben B G R B. Die Funktion der Farbunterabtastung "betrachtet" nun die ersten vier Pixel der beiden Zeilen als Pixelblock, also R G B R in der ersten und B G R G in der zweiten Zeile. Nun werden die Farben zeilenweise mit jeweils zwei Pixeln pro Farbe abgetastet. Die erste Farbe, die in einem Bereich abgetastet wird, wird auch gespeichert. Wenden wir das auf das Beispiel an, dann erhalten wir die Farben R R B B. Nun wird die zweite Zeile von der Farbunterabtastung betrachtet und man sieht die Farbwerte B G R B. Da die Abtastrate 0 ist, ist die Farbe dieses Zeilenabschnitts identisch mit dem der Zeile darüber, also R R B B.

Bei einem Farbsubsampling von 4:2:2 und dem gleichen Beispiel wie oben werden aus den Farbinformationen R G B R der ersten Zeile R R B B. In der zweiten Zeile wird aus B G R B die Farbinformation B B R R. Die Farbgenauigkeit steigt also durch die separate Abtastung der zweiten Zeile deutlich an. Allerdings nimmt damit auch der Speicherbedarf eines solchen Videos zu. Sehr selten kommt das Farbsubsampling 4:4:4 zum Einsatz. Bei diesem wird die Farbinformation jedes einzelnen Pixels gespeichert. Hierbei ist der Speicherbedarf sehr hoch.

Während 4:2:0 für normale Videos und Fotos im “Heimbereich” vollkommen ausreicht, werden ambitionierte Amateure und Profis zum 4:2:2 Farbsubsampling greifen, da es besser für die Nachbearbeitung des Bildmaterials geeignet ist. Wenn Sie mehr zum Thema wissen wollen, dann schauen Sie am besten in die unten verlinkten Wikipedia-Artikel rein.