8-bit、10-bit、12-bit、4:4:4、4:2:2、4:2:0 是什么？
Nov 30 2021
从事数字视频创作时，我们经常可以看到以8-bit、10-bit 甚至是12-bit 表示图像处理器的规格，还有录制设备上以4:4:4、4:2:2、4:2:0表示规格，究竟以上数字代表什么意思，又究竟对视频的画质和色彩诠释有何影响，以下文章将为您解开疑惑。
什么是色深 – 8-bit、10-bit、12-bit
色深（Color Depth）亦可称为色位深度，是指每个像素可以显示的色阶数，并以位(bit) 数表示数字视频色阶数目的单位。
RGB 技术应用于数字视频中，以 0 – 255级共256个灰阶表示色阶的变化。如果您熟悉二的指数，应该对于「256」这个数字不会感到陌生，「256」刚好是2的8次方 (2^8)，而这也就是所谓的八比特(8-bit)位深，代表光的原色—红、绿、蓝各自带有256阶灰度，再将256乘以三次方 (256^3)，就是8-bit 位深所能呈现的色阶数量，一共是16,777,216 色。
8-bit 能够呈现1600 万以上个色阶，看似是一个非常庞大的数量，但是当你将8-bit 与10-bit 相比， 那可算是小巫见大巫。10-bit 位深所能呈现的色阶数量是1024的三次方 (1024^3)，得到的数字是惊人的1,073,741,824，足足是8-bit 位深的64倍！而12-bit 位深所能呈现的色阶数量是4096的三次方 (4096^3) 更是超过680亿以上！由此可知，色深的位数越高，越能细腻诠释色彩的色阶变化。
什么是色彩采样比 – 4:4:4、4:2:2、4:2:0
我们常看到 4:4:4、4:2:2、4:2:0 表示录制设备的色彩采样比（Chroma Sampling）规格，在数字图像处理领域中，色彩采样比直接影响拍出来影片的颜色完整度，但究竟4:4:4、4:2:2、4:2:0 分别代表什么呢？
在进一步解释色彩采样比前，我们首先必须了解一个像素包含了「亮度」与「色度」两组信息—若将像素中的「色度」抽离，得到的是黑白的画面，若将像素中的「亮度」抽离，得到的会是全黑的画面。另外，研究发现，人眼对「亮度」的敏感程度高于对「色度」的敏感程度，因此可藉由保留像素上的「量度」信息，压缩「色度」信息，让多个像素共享一个色度值呈现颜色，如此可以大幅降低数据量却又能兼顾视觉质量。
在压缩视频中，以Y’CbCr 表示「色彩采样比」，第一个「Y」表示亮度(Luma)，占据一个像素1/3的信息量，亮度信息予以保留，不压缩；「Cb」、「Cr」则表示两个不同颜色(Chroma) 分量，占据一个像素2/3的信息量，可藉由压缩降低像素的数据量。以4:4:4 为例，第一个数字「4」代表的是像素的横向采样数量，第二个「4」代表的是第一行的色度采样值，第三个「4」代表的是第二行的色度采样值，画面中每个像素都有与之对应的色度和亮度采样信息。同理，4:2:2 表示第一排的色度采样有2个颜色值，第二排的色度采样也有2个颜色值，每个像素都有对应的亮度采样，但色度采样数只有4:4:4的一半；4:2:0 表示第一排的色度采样有2个颜色值，第二排的色度采样则是沿用邻近第一排的色值，色度采样数剩下4:4:4的四分之一了。
专业广电级摄像机强在哪？
虽然每个像素是相当微小的单位，单一枚 4:4:4、4:2:2、4:2:0 的像素难以用肉眼察觉颜色上的差异，但是毕竟4:2:0、4:2:2 所含有的色彩讯息不比4:4:4 丰富，因此4:4:4 对于色彩细节的诠释仍较4:2:0和4:2:2具有优势。
市场上大多数的消费型数字单反相机和无反相机为了压缩影片的档案大小，普遍是以4:2:0 拍摄视频，虽然在大多数的情况下使用4:2:0 拍摄视频也能得到不错的画质效果，但是当您进一步执行抠像(Chromakey)和后期调色时，将会发现因为像素缺乏更精确的色度值，所以相较于4:4:4 的视频，使用4:2:0 视频进行抠像将会变得更困难、更费时，而且抠像效果还不若4:4:4 视频的画面干净利落。因此，专业的影视工作者仍习惯以4:4:4或4:2:2 规格拍摄视频，毕竟拥有较多色彩信息的源文件利于后期制作，最终视频成品再压缩为4:2:0 规格呈现。这个道理就如同专业摄影师必定会拍摄RAW文件，利用RAW格式文件修图后，再将图片以JPG格式输出作为后续应用。
了解了色彩采样的原理之后，读者们应该就能理解为何消费型相机、手机、小型DV拍不出电视上专业影片的色彩质感，以及广播级的影视器材到底贵在哪里。以Datavideo 旗下的BC-100 可交换式镜头的魔方摄像机为例，BC-100即是一款专用于虚拟摄影棚所设计的广电级摄像机，BC-100 搭载的感光组件具备12-bit 图像处理能力，能够记录下极大量的色彩讯息，忠实诠释细腻的色彩层次，另外具备HDR技术 (High Dynamic Range，高动态范围成像)，在明、暗曝光反差极大的环境下，也能还原亮部和暗部的画面细节及其丰富的色彩，宛如人眼所见。丰富的色彩层次与鲜锐的画质不仅是视觉上的飨宴，更重要的是有利于用户进行绿幕抠像时区分像素中的绿色和其他颜色，因此能够得到相当纯净的抠像画面，即便在虚拟摄影棚中拍摄极具挑战的题材，例如玻璃酒杯和发丝，也能够将极细微的细节与虚拟背景完美地结合。
