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Submuestreo cromático: ¿Qué es y por qué es importante?

Los ordenadores trabajan con espacios de color RGB, mezclando combinaciones de rojo, verde y azul para representar los colores en pantalla. Pero el RGB no es adecuado para el almacenamiento y la transmisión, ya que conlleva redundancia.

Afortunadamente, la percepción humana puede ser engañada con una técnica conocida como submuestreo de croma. Es un tipo de compresión para imágenes fijas y vídeo que descarta parte de la información de color sin degradar la calidad visual percibida.

Esto ayuda a reducir el tamaño del archivo y el uso del ancho de banda.

Sigue con nosotros para saber cómo funciona el submuestreo de croma, cómo afectan los distintos modos de muestreo a la calidad de la imagen y cómo configurar mejor tus dispositivos.

¿Qué es el submuestreo de croma? ¿Qué hace?
El sistema visual humano tiene una comprensión mucho menor de los cambios en las diferencias de color que del brillo. El submuestreo de croma aprovecha este hecho reduciendo la cantidad de información de color en una señal de origen para permitir más datos de luminancia en su lugar. En otras palabras, los componentes de color se muestrean con una resolución menor que la luminosidad.

La reducción de la información de color permite que la señal de vídeo viaje de forma eficiente a través de los cables HDMI de ancho de banda limitado y a través de Internet. Como el ojo es mucho menos sensible al color que al brillo, no percibirá una gran diferencia de calidad al disfrutar de sus películas favoritas.

El submuestreo de croma también se utiliza en la codificación JPEG.

RGB vs. YUV vs. YCbCr

En el vídeo y la fotografía digitales, el componente de brillo -o luma- se suele denominar Y. Los datos de color (llamados crominancia o simplemente croma) constan de dos componentes diferentes: Cb (proyección azul) y Cr (proyección roja). Su combinación, conocida como YCbCr, es la que define los colores que se ven en la pantalla.

Los dispositivos de imagen, como las cámaras de vídeo, utilizan señales analógicas compuestas (YUV), que pueden codificarse digitalmente como YCbCr. Como los dispositivos de proyección, como los televisores y el teléfono que llevas en el bolsillo, trabajan con RGB, convierten la señal digital YCbCr de nuevo en el espacio de color RGB antes de mostrar las imágenes.

Tipos comunes de submuestreo de croma

El espacio de color YCbCr admite varios esquemas de submuestreo de croma expresados como una relación A:B:C. A es la anchura horizontal de la región muestreada en píxeles, B denota el número de muestras de crominancia (Cr, Cb) en la primera fila y C denota el muestreo vertical.

Por ejemplo, el esquema 4:2:2 define un segmento de cuatro píxeles horizontalmente en dos filas. Muestrea cuatro elementos de luma y los mezcla con dos de croma (un Cr y un Cb).

4:4:4, 4:2:2 y 4:2:0: ¿Cuál es la diferencia?
Las siguientes son las combinaciones más comunes para el submuestreo de croma:

4:4 : 4 se utiliza para una señal no comprimida sin reducción de color. Se obtiene una resolución de color horizontal y vertical completa sin pérdida de calidad. También existe 4:4:4:4, donde el cuarto cuatro es un canal de transparencia. El 4:2:2 tiene la mitad de croma que el 4:4:4, lo que reduce la resolución horizontal del color a la mitad en comparación con la luma. Reduce el tamaño del archivo de una señal sin comprimir en un tercio, con pocos o ningún artefacto de compresión. Por ello, el formato 4:2:2 se utiliza a menudo en los juegos y en los formatos de vídeo profesional como Digital Betacam, DVCPRO 50 y MPEG-2. 4:2 : 0 transporta una cuarta parte de las muestras de luma. Sólo se muestrea la mitad de los píxeles de la primera fila y se descarta la segunda. Con la frecuencia de muestreo reducida a la mitad en horizontal y vertical, el 4:2:0 prácticamente conserva la calidad visual sin pérdidas. Estas características han contribuido a convertirlo en un estándar de la industria para películas, programas de televisión y deportes.

El uso del muestreo 4:4:4 para los medios tiene pocas ventajas visuales. Por eso, la mayoría de las cámaras de vídeo digitales y muchas películas Blu-ray utilizan la codificación 4:2:0. Y para aquellas ocasiones en las que necesites exportar un vídeo desde Premiere Pro en tu ordenador, los códecs de vídeo más populares, como MPEG-1, MPEG-2 y H.261/263, también son compatibles con 4:2:0.

4:2:1 vs. 4:1:1 vs. 4:4:0
Otros esquemas de muestreo no son muy utilizados, como los ejemplos siguientes.

Crédito de la imagen: Janke / Wikimedia Commona

4: 2: 1 es un modo de muestreo algo anticuado con la resolución horizontal Cb la mitad de la Cr y una cuarta parte de la resolución horizontal Y. El modo 4:1: 1 cuadra la resolución del croma y reduce a la mitad el ancho de banda, lo que afecta a la calidad visual. Aunque algunos formatos de vídeo digital como DV, DVCAM y DVCPRO utilizan 4:1:1, este modo de muestreo no es de calidad broadcast. El modo 4: 4: 0 reduce a la mitad la relación de muestreo en sentido vertical, pero la mantiene en sentido horizontal.

Submuestreo de croma en texto, aplicaciones y medios de comunicación
Los diferentes modos de submuestreo de croma se dirigen a casos de uso específicos.

A nadie le gusta ver artefactos de compresión en un contenido de alto contraste y perfecto en cuanto a píxeles, como un texto sobre un color plano. Por eso, los ordenadores, los teléfonos, las tabletas y las consolas de juegos utilizan exclusivamente el muestreo 4:4:4. Codificar medios con 4:4:4 es una exageración: no hay una diferencia visual perceptible y el tamaño de los archivos se dispara.

Cómo comprobar el submuestreo de croma

La forma más sencilla de comprobar el submuestreo de croma sería una tarjeta de prueba digital integrada en el televisor, también conocida como “prueba de inicio” o “patrón de prueba”. Al activar esta función en los ajustes de su televisor, aparecerá un conjunto de patrones y barras de color calibradas.

Las barras de color de tu televisor no sólo te permiten comprobar si se utiliza el submuestreo de croma, sino que también garantizan que la salida es fiel al color y al tono según la señal original.

Si no encuentras esta opción, busca en Google “patrones de prueba de submuestreo de croma” o utiliza una imagen de prueba de croma proporcionada por RTINGS. Abre esta imagen en un ordenador o visualízala en tu televisor. Asegúrate de ajustar la escala al 100% antes de buscar artefactos característicos como bordes de texto borrosos, sangrado de color y desenfoque de líneas y texto.

Si no hay ninguno, su televisor utiliza el modo de muestreo 4:4:4 sin compresión.

Cómo elegir el mejor submuestreo de croma
Con todos estos conocimientos, debería tener una comprensión básica del submuestreo de croma y del funcionamiento de los distintos modos de compresión.

Como regla general, sus cables HDMI deberían soportar tanto el modo 4:2:0 como el 4:2:2. Para disfrutar de vídeo 4:4:4 sin compresión y sin submuestreo de croma, necesitará un cable HDMI de ultra alta velocidad con un ancho de banda de entre 18 y 48 Gbps.

Si conectas un ordenador, un descodificador o una consola de juegos a un televisor, asegúrate de configurar el formato de vídeo en YCbCr/YUV (no te preocupes por la borrosidad del texto en los juegos: los motores gráficos actuales tienen en cuenta el submuestreo de croma).

LG: Ve a los ajustes de imagen y activa el color profundo HDMI ULTRA HD. Ahora haz clic en el botón Entrada, elige Todas las entradas y escoge el puerto para utilizar este modo. TLC: El modo 4 :4:4 debería estar activado por defecto al conectar un PC. Si no es así, asegúrate de establecer el tipo de entrada en Ordenador en la interfaz de configuración. Samsung: Ve al menú de ajustes y haz clic en Ajustes expertos debajo del encabezado Ajustes de imagen. Ahora desplázate hasta HDMI UHD color en la parte inferior de la pantalla, elige la entrada que utilizará 4:4:4: y ponla en modo PC. Sony: Abra la configuración y vaya al menú de entradas externas, luego elija el formato mejorado HDMI. También debes establecer el modo de imagen en Gráficos en los ajustes de imagen. Vizio: Selecciona tu entrada en los ajustes de pantalla de la aplicación SmartCast. Ahora elija el submuestreo de color HDMI, asígnelo al puerto de entrada deseado y luego configúrelo en Ordenador.

En el caso de los reproductores multimedia como el Apple TV, establece la salida de la señal HDMI en YCbCr en los ajustes.

El submuestreo de croma es importante después de todo
Entender cómo funciona el submuestreo de croma no sólo te ayudará a descifrar el significado de esas extrañas abreviaturas impresas junto a los puertos de E/S en la parte trasera de tu televisor, sino también a elegir la configuración correcta para obtener una calidad de imagen óptima.

Sin el submuestreo de croma, las transmisiones de vídeo 4K se verían interrumpidas, y necesitarías toneladas de almacenamiento sólo para guardar las películas e imágenes grabadas con tu teléfono.