نمونه‌ برداری رنگی یکی از مهمترین مولفه‌های دوربینهای تصویربرداری حرفه‌ای است که تاثیر زیادی بر کیفیت نهایی محتوا خواهد داشت. مولفه‌های متفاوتی برای انتخاب توانمندترین تصویربرداری وجود دارد. همانطور که عملکرد دوربینهای دیجیتال در بخش عکاسی تنها به Resolution سنسور و ابعاد Pixel‌ها باز نمی‌گردد، در بخش تصویربرداری نیز تنها Resolution و Bit Rate ویدئو‌ها تعیین‌کننده‌ توانایی دوربین نیستند. مولفه‌های مختلفی در این زمینه وجود دارد که تفاوت زیادی در کیفیت نهایی کلیپهای ضبط شده ایجاد می‌کنند. نرخ بیت (Bit Rate)، عمق بیت (Bit Depth) و نمونه‌ برداری رنگی (Chroma Subsampling) برخی مشخصه‌هایی هستند که می‌توانند خبر از میزان توان دوربین در بخش تصویربرداری بدهند. البته لازم به ذکر است که مولفه‌های Bit Depth و نمونه‌ برداری رنگی بر Bit Rate تاثیرگذار هستند و در صورت پیشرفت در آنها، شاهد افزایش Bit Rate خواهیم بود. حال به تشریح مولفه‌ بسیار مهم نمونه‌ برداری رنگی و تاثیر آن در عملکرد دوربینهای پرداخته می‌شود.

نمونه‌ برداری رنگی 

به طور ساده، پیکسلها برای نمایش تصاویر به دو مولفه نیاز دارند؛ روشنایی (Luma) و رنگ (Chroma). با دادن اطلاعات دقیق در خصوص هر یک از مولفه‌های مذکور، مجموع Pixelها قادر به نمایش دقیق رنگها خواهند شد. اگر داده‌‌ای در خصوص Luma ثبت نشود، تصویری کاملا سیاه ثبت و در صورتی که اطلاعات مربوط به Chroma در دسترس نباشد، خروجی تصویری سیاه و سفید خواهد شد. در حالت ایده‌آل تصویربرداری، دوربین می‌تواند Luma و Chroma هر یک از Pixel‌ها را به صورت جداگانه تعیین کند، اما این موضوع منجر به افزایش قابل توجه Bit Rate و حجم نهایی فایل می‌شود. در همین راستا مهندسان به بررسی مولفه‌های مذکور پرداختند تا در صورت امکان اقدام به فشرده‌سازی یا بهینه‌سازی آنها کنند. به دلیل اهمیت  Luma، این مولفه برای همه‌ Pixel‌ها به صورت جداگانه ثبت می‌شود. اما امکان استفاده‌ چند Pixel مجاور هم از یک رنگ، نتیجه‌ بررسی مهندسان در رابطه با تاثیر Chroma بود. در همین راستا و برای ساده‌ سازی پردازش تصاویر، روشهای نمونه‌ برداری رنگی ایجاد شد. اگر سابقه‌ بررسی مشخصات فنی دوربینهای حرفه‌ای را دارید، قطعا تاکنون با عبارتهایی مانند 4:4:4 ، 4:2:2 یا 4:2:0 روبرو شده‌اید. این عبارت که نشانگر هر یک از پارامتر‌هایj:a:b‌  هستند، بیان‌کننده‌ توانایی دوربین در بخش نمونه‌ برداری رنگی است. اما عبارات مذکور چه معنایی دارند؟

تولیدکنندگان دوربینهای حرفه‌ای از الگوریتمهای مختلفی برای رنگ ‌برداری استفاده می‌کنند. اما رایج‌ترین آنها، استفاده از دو Pixel افقی مشابه در کنار هم است. در همین راستا برای معرفی توانایی دوربین عموما از عدد ۴ (مولفه‌ j در سمت چپ) استفاده می‌کنند که به معنای چهار Pixel کنار هم است. عدد دوم (مولفه ‌a) به معنای تعداد Pixel‌ها ردیف بالایی است که از رنگ ‌برداری مستقلی بهره می‌برند. در برخی الگوریتمها علاوه ‌بر Pixel‌های مجاور افقی، نمونه‌های مجاور عمودی نیز از رنگ ‌برداری مشابهی بهره می‌برند به همین دلیل برای معرفی توانایی رنگ ‌برداری دوربینها در کنار چهار Pixel افقی، عملکرد چهار Pixel دیگر در ردیف پائینی نیز بیان می‌شود. عدد سوم (مولفه‌ b) در سمت راست بیانگر تعداد Pixel مستقل در ردیف پائینی است. نمونه‌ برداری رنگی 4:4:4 که در دوربینهای فیلمبرداری فوق‌حرفه‌ای و سینمایی گرانقیمت به کار می‌رود، به معنای عملکرد مستقل تمام Pixel‌ها در تشخیص رنگ است. همانطور که در تصویر ذیل نیز مشاهده می‌کنید، هر یک از ۸ Pixel، رنگ مختص خود را دارند. دوربینهایی مانند ARRI ALEXA و Red از این روش نمونه‌ برداری رنگی بهره می‌برند.

همانطور که پیش‌تر بیان شده بود، نیاز به پردازش سنگین و حجم بالای ویدئو‌های ضبط شده، مهندسان را به توسعه‌ روشهای جدیدی وا داشت. در همین راستا برای حل مشکلات مذکور، نمونه‌ رنگ ‌برداری 4:2:2 ایجاد شد تا هر دو پیکسل‌‌ مجاور افقی، از رنگ ‌برداری مشابهی بهره ببرند. همانطور که واضح است، در این حالت سیگنال ارسالی به سمت پردازنده، نصف حالت قبلی است. با این حال فراموش نکنید در این الگوریتم نیز به پردازشهای سنگینی نیاز است. این موضوع باعث شده است تا دوربینهای حرفه‌ای مانند FS7 از SONY ، سری EOS C از Canon و Panasonic EVA1 با قیمت حدودی ۸۰۰۰ دلار (تنها برای بدنه) از آن بهره ببرند. البته به تازگی و به لطف پیشرفت دوربینهای حرفه‌ای کوچک، نمونه‌هایی به بازار عرضه‌ شده‌اند که امکان استفاده از این قابلیت را با قیمت بسیار کمتری برای کاربران به ارمغان آورده‌اند. پاناسونیک مدل Panasonic GH5 و Panasonic GH5S با قیمت کمتر از ۲۰۰۰ دلار خود، در حال حاضر تنها محصولاتی هستند که به صورت داخلی توانایی ضبط ویدئوهای 4:2:2 را دارند. البته برخی دوربینهای دیگر اعم از FUJIFILM X-T3 نیز از این قابلیت بهره می‌برند، اما امکان ضبط آنها در دوربین وجود ندارد و کاربر باید با پرداخت هزینه‌ بیشتری از ضبط‌ کننده‌های External مانند Atomos Ninja 5 بهره ببرد.

بررسی مهندسان دنیای دوربینهای عکاسی و تصویربرداری نشان داد که فشرده‌سازی بیشتر عملیات رنگ ‌برداری، تاثیر زیادی بر کیفیت نهایی ندارد و کاربران همچنان قادر به تولید محتوای جذابی خواهند بود. در همین راستا روش نمونه‌ برداری 4:2:0 معرفی شد که همانطور که از نام آن مشخص است، ردیف پائین پیکسلها عملکرد مستقلی در رنگ ‌برداری ندارد و از رنگ ردیف بالایی خود بهره می‌برد. در ردیف بالایی نیز همانند الگوریتم 4:2:2، هر دو پیکسل از رنگ منحصر به فردی بهره می‌برند. بدین ترتیب شاهد کاهش ۵۰ درصدی اطلاعات در این روش نسبت به 4:2:2 هستیم. عموم دوربینهای Camcorder، DSLR، عکاسی و حتی موبایلها از این روش بهره می‌برند. 

ترکیب نمونه‌ برداریهای رنگی بالا با شدت روشنایی منحصر به فرد هر پیکسل، نتایج بالا را خلق می‌کند.

نمونه‌ برداریهای رنگی دیگری نیز در صنعت ویدئو به کار گرفته شده‌اند که البته در حال حاضر چندان متداول نیستند. به عنوان مثال می توان به 4:1:1 با رنگ ‌برداری هر چهار مجاور در هر ردیف به صورت مشابه و 4:4:0 با رنگ ‌برداری مشابه پیکسلهای مجاور عمودی اشاره کرد.

اهمیت نمونه‌ برداری رنگی

با توجه به تجربه‌ بسیاری از کاربران عادی از ضبط کلیپهای 4:2:0 و همچنین استفاده‌ ویدئو‌های عادی و Platformهای Online اعم از YouTube و Net Felix از این روش، شاید استفاده از نمونه‌ برداری‌های رنگی 4:2:2 و 4:4:4 چندان ضروری یا حتی کاربردی به نظر نرسد. شاید این موضوع برای کاربران خانگی چندان با اهمیت نباشد، اما فراموش نکنید اگر به دنبال تولید ویدئو‌های با کیفیت و حرفه‌‌ای هستید، نمونه‌ برداریهای رنگی عمیق‌تر، تاثیر گسترده‌ای بر خروجی نهایی خواهد داشت. همانطور که می‌توان پیش‌بینی کرد، مهمترین تاثیر نمونه‌ برداریهای 4:4:4 و 4:2:2 نسبت به 4:2:0، بر لبه‌ اجسام و سوژه‌های تصویر است که به دلیل نبود اطلاعات دقیق، مشکلاتی اعم از محو‌شدگی و شکستهای بیجا ایجاد می‌شود. این موضوع در شرایط خاصی مانند وجود متن زیاد در قاب یا اجسام ریز، بسیار بیشتر به چشم می‌آید.

تاثیر نمونه‌ برداری رنگی بر خطوط اشیاء

دیگر برتری نمونه‌ برداریهای رنگی پیشرفته، یک ‌دست بودن فضای رنگی و تولید Gradian رنگی روان و جذاب است. این موضوع در تصویرداری از محیطهای باز و طبیعت به خصوص در آسمان بیشتر وجود دارد. رنگ ‌برداریهای فشرده در این شرایط، بلوکهای رنگی متفاوتی را نسبت به نمونه‌های کناری خود ایجاد می‌کند که جذابیت بصری تصویر را تحت تاثیر زیادی قرار می‌دهد. همچنین در صورتیکه از پرده‌ سبز در تولید محتوای خود بهره خواهید برد، Mask کردن بی‌نقص پرده وابستگی بسیار زیادی به شرایط رنگ ‌برداری دارد. به همین دلیل تولیدکنندگان حرفه‌ای عموما در این زمینه از محصولاتی با توانایی رنگ ‌برداری 4:4:4 بهره می‌برند.

نمونه ویدئوی 4:2:2

نمونه ویدئوی 4:2:0

همچنین در صورتیکه اصلاح رنگی و پس ‌پردازش ویدئو‌ها بخشی گسترده‌ای از کار شما را تشکیل می‌دهد، ویدئو‌های 4:2:0 و محدودیتهای آن پاسخگوی نیاز‌‌ها نخواهد بود و حداقل از انواع 4:2:2 برای ایجاد رنگهای مورد نظر خود در بخشهای مختلف قاب بهره ببرید.

عموم تلویزیونهای جدید 4K، توانایی پخش ویدئو‌های 4:4:4 را از طریق ورودی HDMI دارند. به همین دلیل برخلاف مولفه‌ عمق رنگ که تلویزیون و نمایشگر‌های پشتیبان از آن، چندان متداول نیستند، در نمونه‌ برداری رنگی شاهد چنین محدودیتی نیستیم و استفاده از نمونه‌های پیشرفته‌ و حرفه‌ای‌تر به وضوح توسط تمام کاربران قابل مشاهده است.

نمونه‌ برداری رنگی در کنار Bit Depth ، از مهمترین مولفه‌های دوربینهای تصویربرداری به شمار می‌روند که خبر از میزان توانایی آن در ضبط محتوای ویدئویی می‌دهد. در حالیکه انواع 4:2:0 برای بسیاری از کاربریها مناسب خواهد بود و در صورتیکه برای ورود جدید به حوزه‌ ساخت فیلم و تیزر‌های تبلیغاتی برنامه‌ریزی می‌کنید، قویا پیشنهاد می‌شود تا از نمونه‌ برداریهای 4:2:2 یا 4:4:4 (در صورت توانایی پرداخت هزینه‌ گزاف دوربینهای سینمایی) استفاده کنید تا در کنار آزادی عمل بیشتر در پس‌ پردازش و اصلاح رنگی، جزئیات دقیق‌تر و بیشتری را ثبت کنید. در حال حاضر دوربینهایی با توانایی ضبط کلیپهای 4:2:2 در بازار کشور (برای خرید یا اجاره) وجود دارند که شاید مقرون‌ به ‌صرفه و در عین حال توانمند‌ترین آنها، PANASONIC LUMIX DC-GH5 یا PANASONIC LUMIX DC-GH5S باشد. در صورت توانایی پرداخت مبالغ بیشتر نیز انواع حرفه‌ای سوپر ۳۵ میلی‌متری مانند سری FS از SONY وسری EOS C از CANON در دسترس هستند.