Renk uzayı, Renk örneklemeleri, 1.5Gb/s ve 3Gb/s nedir ?

          Uzun zamandır yazmayı düşündüğüm ve çok soru aldığım bir kaç konuyu bu yazımda sizlere anlatmak istiyorum. Genel olarak rastladığım sorulardan olan 4:2:2 nedir ? 4:2:0 nedir ? 1.5 Gb/s nedir ? 3Gb/s nedir ? gibi soruların cevaplarını sizlerle paylaşacağım. İlk olarak bu konuların temelinde olan renk uzayı ile başlayalım. RGB Renk uzayı           RGB Renk uzayında her bir pikseldeki renk değeri ayrı kanallar olarak saklanır. Örneğin 8 bit bir videoda her bir piksel için 3 byte (8 bit x 3 kanal) renk değeri saklanır. RGB renk uzayında ayrıca bir parlaklık bilgisi yoktur. Bu nedenle renk ve parlaklık bilgisini birbirinden ayrı sıkıştırmak mümkün değildir.   Orjinal resim           R                                    G                                    B                 Bazı RGB video formatları da genel olarak sıkıştırma öncesi hazır çevrim matrisleri kullanılarak YUV’a dönüştürülür ve okuma sırasında geri çevrimi yapılır.   Y’/Cb/Cr (YUV)           RGB gibi tam anlamıyla bir renk uzayı değildir, RGB renk uzayını göstermenin farklı bir yoludur. Bu yöntemde renk bilgisi (chroma), parlaklık bilgisinden (luma) ayrıldığı için bağımsız işlemlerle farklı oranlarda sıkıştırılabilir. İnsan gözü, gördüğü resimdeki siyah/beyaz tonlamayı, yani parlaklık bilgisini (luminance) daha öncelikli algılarken, renk bilgisine aynı derecede hassas değildir. Bu nedenle parlaklık bilgisine göre daha çok tolere edilen renk bilgisi daha yüksek oranda sıkıştırılarak kullanılan bant genişliği düşürülebilir. Luma (Y’) bilgisi bir resimdeki gamma-sıkıştırılmış renk kanallarının, yani R’, G’ ve B’ değerlerinin ağırlıklı toplamı ile elde edilir ve Y’ ile gösterilir. Resmin renk kanallarının farklı ağırlıklara sahip olmasının sebebi insan gözünün farklı renklere karşı farklı olan hassasiyetleridir. ITU (International Telecommunication Union) Uluslararası Telekomünikasyon birliği standardına  göre Y’=0.299R’ + 0.587G’ + 0.114B’ formülü ile hesaplanır. Cb (U) ile gösterilen bu değer, RGB imajın gamma sıkıştırılmış B’ (Blue: Mavi) kanalındaki bilginin Y’ ile olan farkını içerir (U = B’-Y’). ITU standardına göre Cb=-0.169R – 0.331G +0.499B + 128 şeklinde hesaplanır. Cr (V) ile  gösterilen bu değer, RGB imajın gamma sıkıştırılmış R’ (Red: Kırmızı) kanalındaki bilginin  Y’ ile olan farkını içerir (V = R’-Y’). ITU standardına göre Cr=0.499R – 0.418G - 0.0813B + 128 şeklinde hesaplanır.       Orjinal resim           Y’                                 Cb (U)                              Cr (V)                 Sıklıkla kullanılan renk örnekleme oranları:           Luma bilgisinden ayrı kullanılan renk bilgisi genelde bant genişliği tasarrufu için örnekleme yolu ile düşürülür. Kullanılan örnekleme oranları J:a:b şeklinde “:” karakteri ile ayrılmış üç değer olarak ifade edilir. (Alpha bilgisi içeren bir formatsa J:a:b:Alpha kullanılır. Örneğin 4:4:4:4) Örneklemenin gösterildiği yazım şekli formatta kullanılan Y/Cb/Cr için ayrılan bantgenişliğini doğrudan ifade etmez. (4:2:0 videoda hiç Cr yok gibi bir sonuç çıkarılmamalı) Örnekleme oranı J sayısı kadar (genelde 4 kabul edilir) pixel eninde ve 2 pixel yüksekliğinde, 8 pixel içeren bir dörtgen alanı referans alır.             J: Referans alanının eni ( genelde 4 )             a: Örneklemenin ilk sırasındaki renk bilgisi içeren pixel sayısı.             b: Örneklemenin ikinci sırasındaki pixellerdeki renk bilgisi içeren pixel sayısı. Yani 4:2:0 formatındaki bir videoda ilk 8 pixellik bir örnekleme alanının ilk satırında 2 renk bilgisi içeren pixel vardır. İkinci satırda renk bilgisi olmaması ilk satırdaki bilginin alt değer için de kullanılacağını ifade eder.     ·         4:4:4   Örnekleme olmaksızın tüm kanallar tam çözünürlükte bilgi içerir. Sinema post prodüksiyon, yüksek kalite film tarama gibi kalitenin ihtiyaç olduğu alanlarda tercih edilir. HDCAM SR SQ DNxHD 444 Apple ProRes 4444   ·         4:2:2   Pek çok üst seviye yayıncılık formatında kullanılır. Yatayda tam renk bilgisi çözünürlüğü, dikeyde ise yarı renk bilgisi çözünürlüğü içerir. Örnek formatlar:   AVC-Intra 100 Digital Betacam DVCPRO50 and DVCPRO HD Digital-S CCIR 601 / Serial Digital Interface / D1 ProRes (HQ, 422, LT, ve Proxy) XDCAM HD422 Canon MXF HD422   ·         4:2:0   Yatayda ve dikeyde yarı çözünürlük içerir. DVD-Video, Blu-ray Disc PAL DV, DVCAM HDV AVCHD, AVC-Intra 50 Apple Intermediate Codec JPEG/JFIF ve MJPEG tabanlı codec ler. VC-1  1.5 Gb/s ve 3 Gb/s Nedir ?           Sıklıkla kullanılan renk örneklemelerinden sonra şimdide 1.5 Gb/s ve 3 Gb/s siynal nedir bunları inceleyelim; Standart çözünürlükte (SD) hem PAL hemde NTSC'de En düşük Ortak örnekleme frekansı olarak 2.25 Mhz kabul edilir. 6 x 2.25Mhz = 13.5 Mhz olarak Luma (Y) frekansını elde ediyoruz, elde ettiğimiz  bu frekansı kullanarak Standart çözünürlükteki bir sinyalin ihtiyaç duyduğu bant genişliği değerine ulaşacağız ; (Y + Cb + Cr ) x 10bit = max. bit-rate formülünü kullanarak 4:2:2 renk örneklemeli 10 bit bir SD sinyalin Bant genişliğini hesaplayalım. Y:        13.5 x 10 bit = 135 Mb/s Cb:   13.5/2 x 10 bit = 67.5 Mb/s Cr:   13.5/2 x 10 bit = 67.5 Mb/s                              ---------------                               270 Mb/s 4:2:2 renk örneklemeli 10 bit standart çözünürlük (SD)'te bir sinyalin 270 Mb/s'lik bir bant genişliğine ihtiyaç duyduğunu görüyoruz. Yüksek Çözünürlüklü (HD) bir sinyalin ihtiyaç duyduğu bant genişliğini yine aynı formülü kullanarak bulabiliriz fakat HD sinyalde Luma frekans değeri 74.25 Mhz olacaktır Şimdi bu 74.25 Mhz değerine nasıl ulaşıyoruz ona bakalım; 1125 dikey tarama için 16:9 boyutunda 2002 yatay tarama vardır bu bilgilerden yola çıkarak; 2002 x 1125 x 30 (çerçeve oranı) = 67.57 Mhz'lik bir frekans elde ediyoruz fakat bu değer 2.25 Mhz değerine tam olarak bölünmediği için yatay taramayı bir tam sayı olarak kullanmak için 74.25 Mhz değerini baz alıyoruz bu sonuçta 2200 yatay tarama çizgisi elde ediyoruz, fakat bir resim için 1920 yatay tarama yeterlidir. 74.25 Mhz frekansımızı elde ettiğimize göre HD bir siynalin bant genişliğini şimdi bulabiliriz; Y:        74.25 x 10 bit = 742.5 Mb/s Cb:   74.25/2 x 10 bit = 371.5 Mb/s Cr:   74.25/2 x 10 bit = 371.5 Mb/s                              ---------------                               1.485 Gb/s           Elde ettiğimiz 1.485 Gb/s lik bant genişliği değerini yaklaşık olarak 1.5 Gb/s alarak HD bir sinyalin ihtiyaç duyduğu bant genişliğini buluyoruz. Peki bu 3Gb/s 'lik değere nasıl ulaşacağız, 1.485Gb/s lik değer interlace (25 ve 30 çerçeve ) taramalı sinyaller içindir. Progressive (50 ve 60 çerçeve ) taramalı sinyallerde frekans değerleri dual (çift ) olduğu için  2.97 Gb/s değerini elde ediyoruz  buda yaklaşık olarak 3Gb/s lik bir bant genişliğine ulaşmamızı sağlıyor.           Bu yazımda Renk uzayı , Renk örneklemeleri , 1.5 Gb/s ve 3Gb/s nedir ? konularında  sizlere elimden geldiği kadarıyla bilgi vermeye çalıştım umarım bunu başarabilmişimdir. Konu hakkında sorularınızı ve görüşlerinizi bekliyor olacağım. Bir sonraki yazımda görüşmek dileğiyle.

SONY XDCAM HD ve PANASONIC P2 HD

     Televizyon yayıncılığına başladığım yıllarda Tapeless Workflow ( kasetsiz iş akışı) ülkemizde yok denilecek kadar azdı. Piyasaya genel olarak Sony’nin Betacam serisi VTR’leri ve kameraları hakimdi, bu sistemde kameralar kasetlere kayıt yapar VTR’ler de kasetlerden  kayıtları okurdu. Montaj setlerinde çok sayıda VTR olur , kucak dolusu kasetlerle montaja girilirdi. Kasetlerin çok kullanılmasından dolayı jenerasyon kayıpları meydana gelir, istenilen görüntü kolayca bulunamaz ve zaman kayıplarına yol açardı.Kasetli iş akşının bunlara benzer sayamadığım bir çok dezavantajı vardı.      Günümüz televizyon yayıncılığında ise artık kasetli iş akışları yerini kasetsiz iş akışlarına bırakmıştır. Bu noktada yayın kuruluşların tercihleri ve alternatifleri çoğalmıştır. Seçilecek kayıt formatı da bunlardan birisi, bugünkü yazımda, dünyada da hala tartışılan ve  tercih bakımından öne çıkan XDCAM HD ve P2 HD formatlarını  karşılaştıracağım.      Aşağıdaki Tabloda XDCAM HD ile  P2 HD arasındaki en belirgin farkları listelemeye çalıştım.        Hareketli görüntü sıkıştırma teknikleri yüzeysel olarak ikiye ayrılır bunlar ; Her karenin birbirinden bağımsız olarak sıkıştırıldığı Intra-Only ve farklı karelerin bir araya gelmesiyle oluşan resim grubunun sıkıştırıldığı Long GOP Sıkıştırma teknikleridir.Aşağıdaki tablolda Intra-only ile Long GOP’un karşılaştırmasını görebilirsiniz.        Şekilde görüldüğü gibi Long GOP sıkıştırma tekniği daha düşük bir bitrate sağlar, Sony XDCAM HD’de bu sıkıştırma tekniğini kullanarak  max. 50 Mb/s gibi bir değere ulaşıyor. Panasonic ise bu tekniğin flaş patlamaların yüksek olduğu basın konferanslarında , hızlı spor aktivitelerinde , konfeti ve elektronik ekranların kullanıldığı gösterilerde başarısız olduğunu savunuyor. Sony  bu dezavantajları özel algoritmalarla ortadan kaldırarak Panosonic’in bu tezini cürütmüş gibi gözüküyor.  AVC-Intra isminden de anlaşılacağı gibi Intra-only tekniğini kullanarak max. 100Mb/s, Intra –only tekniğinde işlemleri  kare-kare gerçekleştirmesi nedeniyle çok çekirdekli CPU(işlemci)’larda Paralel işlem kolaylığı sağlıyor buda kurgu kolaylığında kare-kare işleme avantajını ortaya çıkarıyor.Long GOP ile Intra-only arasındaki bir diğer fark ise yaşlandırma ( jenerasyon kaybı ) olarak gözüküyor Intra-only’de Long GOP'a göre daha az jenerasyon kaybı gözüküyor.      Sony XDCAM HD ve Panasonic P2 HD renk alt örneklemesi ( Color Subsampling ) olarak 4:2:2 kullanıyorlar aralarındaki fark ise Sony 8-bit, Panasonic 10-bit renk tonlaması kullanıyor. 8-bit ile 10-bit arasındaki fark ne derseniz  8-bit = 255 farklı ton , 10-bit = 1023 farklı ton aradaki bu farkı aşağıdaki şekilde daha iyi anlayabilirsiniz.      Yukarıda anllattıklarım için bunlar çok teknik bilgiler dediğinizi duyar gibiyim biraz daha yüzeysel bilgiler vericek olursam 64GB ‘lık bir medyaya XDCAM 4:2:2 50Mb/s 120 dakikalık çekim sığdırabiliyoruz,aynı boyuttaki medyaya P2 AVC-Intra  4:2:2 100 Mb/s 64 dakikalık çekim sığdırıyoruz. Bu verilerde gösteriyor ki P2 HD için iki kat kadar daha fazla disk alanina ihtiyaç duyuyoruz , ek olarak kurgu setlerinde XDCAM HD’nin ortalama %45 seviyesinde daha hızlı import yaptığı gözleniyor. Sony; HD yayın için Mpeg-2 Long GOP 50Mb/s ’in yeterli olduğunu her fırsatta dile getiriyor, 2014 nisan ayı itibariyle AVC-Intra benzeri   XAVC codeci piyasaya sunacak. Her ne kadar bu codeci 4K yayın alt yapısı için kullanmayı düşünsede HD yayın içinde kullanacak.Bu durum Sony’nin zamanla Mpeg-2’den uzaklaşacağının göstergesidir.       Sonuç olarak disk tasarrufu ve hızlı aktarım istiyorsanız Sony XDCAM HD Mpeg-2 Long GOP 50 Mb/s, görüntü kalitesi daha yüksek bir sistem istiyorsanız Panasonic P2 HD AVC-Intra 100 Mb/s kullanmalısınız. Bundan sonrası sizin tercihinize kalmıştır. umarım bu yazımda sizler için yararlı olabilecek bilgiler paylaşabilmişimdir, Bir başka yazımda görüşmek üzere..

SONY PMW-400

     Sony’nin XDCAM HD422  ürün grubu altında çıkarttığı yeni ürünü PMW-400’ü NAB2013’te tanıttı. Sony XDCAM EX serilerinde kullandığı 3 x 2/3-inch type Exmor Full HD CMOS sensörün benzerini bu üründede kullanmış. Sensör olarak PMW-350 serisine yakın olan bu kamera HD 4:2:2 50Mb/s kayıt yapabilmesinden dolayı XDCAM HD422 ürün grubunda yer almakta,  Bir başka deyişle Sony iki ürün grubundan birşeyler alarak ortaya PMW-400’ü çıkartmış gibi gözüküyor.       Sony PMW-400’ün bazı özelliklerini listeleyecek olursak; Çözünürlük 1920x1080 Sensor 3 x 2/3-inch type Exmor Full HD CMOS Filtreler 1: Clear  2: 1/4 ND 3:1/16ND 4: 1/64ND Optik Sistem F1.4 Prizma sistem Vizör 3.5" color LCD 960 x 540 resolution Sinyal Sistemi NTSC/PAL Kayıt formatı VideoMPEG-2 Long GOP HD 422 mode: CBR, 50 Mbps max., MPEG-2 422P@HL       HQ mode: VBR, 35 Mbps max., MPEG-2 MP@HL       SP mode: CBR, 25 Mbps, MPEG-2 MP@H-14       SD mode : MPEG IMX, DVCAM AudioUDF       HD 422 50 mode: LPCM 24 bits, 48 kHz, 4 channels·       HD 420 HQ mode: LPCM 16 bits, 48 kHz, 4 channels       SD MPEG IMX mode: LPCM 16/ 24 bits, 48 kHz, 4 channels       SD DVCAM mode: LPCM 16 bits, 48 kHz, 4 channels         FAT       HD mode: LPCM 16 bits, 48 kHz, 4 channels       SD DVCAM mode: LPCM 16 bits, 48 kHz, 2 channels  Bitrate UDF       HD 422 50 Mode: MPEG-2 422P@HL, 50 MBps/ CBR       1920 x 1080/59.94i, 50i, 29.97p, 25p, 23.98p       1280 x 720/59.94p, 50p, 29.97p, 25p, 23.98p       HD 420 HQ Mode: MPEG-2 MP@HL, 35 MB/s VBR       1920 x 1080/59.94i, 50i, 29.97p, 25p, 23.98p (Version Up)       1440 x 1080/ 59.94i, 50i, 29.97p, 25p, 23.98p                 1280 x 720/59.94p, 50p, 29.97p, 25p, 23.98p (2-3 pull down) SD MPEG IMX Mode       720 x 480/ 59.94i, 29.97PsF       720 x 576/ 50i, 25PsF SD DVCAM Mode       720 x 480/ 59.94i, 29.97PsF       720 x 576/ 50i, 25PsF         FAT       HD HQ Mode: MPEG-2 MP@HL, 35 Mbps/ VBR       1920 x 1080/ 59.94i, 50i, 29.97p, 25p, 23.98p       1440 x 1080/ 59.94i, 50i, 29.97p, 25p, 23.98p       1280 x 720/ 59.94p, 50p, 29.97p, 25p, 23.98p       HD SP 1440 Mode: MPEG-2 MP@H-14, 25 Mbps/ CBR       1440 x 1080/ 59.94i, 50i, 23.98p (2-3 pull down)         SD DVCAM Mode       720 x 480/ 59.94i, 29.97PsF       720 x 576/ 50i, 25PsF Girişler Timecode1 x BNCGenlock1 x BNCDC Power1 x XLR 4-pin maleRemote1 x 8-pinAudio2 x XLR 3-pin female: line/mic/mic + 48V selectableMic1 x XLR 5-pin female: mic +48VWireless Receiver IN1 x D-sub 15-pin Çıkışlar SDI2 x BNC SD-SDI/HD-SDI selectableHDMI1 x Type AHD-Y or Composit 1 x BNC Earphone 1 x Stereo mini-jack Speaker Monaural Timecode 1 x BNC Data konnektörleri i.Link1 x IEEE 1394 6-pin: (Firewire 400), HDV (1080i), DVCAM stream input/output1 x USB type B1 x USB type A       Sensör olarak sony’nin çok cimri davrandığını düşünüyorum, bu bir fiyat politikası olarak gözüküyor. Cmos sensörlerin bir takım dezavantajları olduğu bilinmektedir, bunlardan biride  flaş bant oluşumudur. Sony bu duruma karşı Fbc ( Flash Band Compensation ) adında  özel bir algoritmayı bu kamerada kullanmış tabi bu özelliğinde 2013 kasım ayından sonra firmware update ile geleceğinide söylemeden geçemeyeceğim.      Sony vizör  de ise sensördeki cimriliğini göstermemiş, 960x540 pixel’e sahip çeyrek HD olarak tabir edilen  çözünürlüğe sahip bir vizör kullanmış. Görüş açıları üzerine bir takım geliştirmeler yapmış gibi gözüküyor aynı zamanda parlaklık üzerinede çalışmışlar. PMW-400 iki adet SDI çıkış verebilmesi ile hem yönetmene hem kamera operatörüne eş zamanlı monitörleme sağlamakta bu da operasyon sırasında içeriğin farklı noktalarda kontrol edilmesine olanak vermektedir. Ayrıca kamera arkasına opsiyonel olarak kullanılan CBK-CE01 50-pin modülü ile çoklu kamera operasyonları için kamera üzerine iki kamera adaptörü takılabilmektedir. Optik fiber bağlantı için CA-FB70 adaptörü ile CA-TX70 digital triax adaptörü takılarak PMW-400′ün canlı yayınlarda stüdyo kamerası olarak kullanılabilmesi sağlanmakta ve sinyali uzun mesafelere yüksek kalitede ulaştırabilmesine olanak vermektedir. (OB/Stüdyo kullanımı)        Gelelim Bitrate ve kayıt formatına , Sony uzun yıllardır arkasında durduğu ve desteğini hiç çekmediği Mpeg-2 Long GOP codec kullanımını bu kameradada sürdürüyor. Sony mühendislerinin neden AVC codec kullanmıyorsunuz sorusuna verdiği Mpeg-2 Long GOP’tan daha iyi görüntü ve performans veren bir codec göremiyoruz cevabı ile  2014 Nisan ayında opsiyonel olarak PMW-400 ‘ün XAVC 10 bit 4:2:2 100Mb/s desteği alacağını göz önüne alırsak AVC’nin daha iyi bir codec  olduğunu Kabul etmiş gibi gözüküyorlar.      Bu yazımda umarım PMW-400 kamera ile ilgili sizlere yardımcı olabilecek bilgiler paylaşabilmişimdir, Bir sonraki yazımda görüşmek üzere