色彩深度與色彩取樣

 常常聽專業的說哪台機器有422、又有10bit色彩……我只知道HD和4K，到底有什麼差?

影像的好壞並不該只以畫素來判斷而已，今天要以淺白易懂的方式來解釋「色彩深度」與「色彩取樣」，這只是影像概論的冰山一角，卻是身為動態攝影師必須具備的重要知識。

一、色彩深度(8bit、10bit)

8bit的色彩，每個色彩在灰階度上有256種色階，而10bit的有1024個色階，所以就色彩的深度，10bit達8bit的4倍。

位元深度不夠高差在哪? 最明顯的就是在漸層上的反應，色彩深度不夠時，原本該美麗平順的漸層成了”色塊”，這就叫作Banding。

以為10bit色彩的檔案會比8bit色彩的檔案來得肥大? 其實是相反的，在同等的壓縮品質下，10bit的檔案比8bit檔案來得更輕盈，究竟是為什麼呢? 色彩在編碼時，會採用一種叫抖動(dither)的技術，也就是在每個色塊的中間加上彼色的色點，以達到邊緣糢糊(如下面中間的圖)，目的讓漸層的色塊看起來不那麼”塊狀”(banding)(如下面左邊的圖)，而8bit編碼時因為本身”色彩不夠豐富”，為避免banding產生了更重的dither效果，產生更多小點點造成更多的冗餘資訊，所以輸出檔案更大。而且雖然小點點讓色塊與色塊之間的接縫不會那麼生硬，卻可能讓整張圖的噪比過高，好比拍照時ISO開太高的雜訊。相對10bit的影像在編碼時因本身色彩較豐富，經過dither而產生的噪點低了許多，甚至不需要dither也可十分細緻。

如果素材是直出不經過調色的話，基本上人眼是看不太出差異的。那為何還要追求10bit? 因為給予後製相對高的調色空間。下圖右方就是低位元色彩卻大幅調色的慘況：BANDING!!

所以我們已經知道色彩深度的概念，但為何大多機器錄製的格式，都還是以8bit做為基礎? 大家學電腦時應該都學過，一個位元組(Byte)是由8個位元所組成，大多數的轉碼解碼器也都是以8進位的方式在做運算，對於10bit的編/轉碼不是不支援，就是效率過低。

現市面上支援紀錄10bit色彩訊息的攝影機，都有專門的晶片在處理10bit編碼，貴也是貴在這裡，所以大多消費級或是專業入門級的機種，都還是以8bit的影像紀錄為基準，其色彩已可滿足大部份基本的要求。

二、色彩取樣(4:2:2、4:2:0)

前面講到的是色彩的深度，現在要來講的是影像的色彩取樣，為什麼說是取樣呢? 因為影像在錄製時，在頻寬不夠、色彩資訊無法大量傳送的情況下，必須進行壓縮，而部份畫素在壓縮時失去了色彩資訊，只好跟隔壁有色彩的畫素進行”取樣”。

首先，影像的組成有兩個東西，就是亮度(Luma)和色度(Chorma)，如下圖。

早期研究開發影像的人就知道，人眼對於明暗的敏感度是大於色彩的敏感度的。所以當傳輸影像的頻寬不足時，機器的作法就是：「保留明暗度，犧牲彩度」，我們常聽的422、420…就是這個情況下誕生的。

下圖以一個4×4像素的影像來說明，黑白球為明暗度取樣(Y)，彩色球為色彩(CrCb)取樣：

解釋水平、垂直取樣…只會讓你更混淆，不玩文字遊戲，自己仔細看上圖就會發現其數字與色彩採樣之間的關係：沒有彩色球的畫素，就以上一個有彩色球的畫素的色彩，套用至自己的畫素，這就是色彩的取樣。

每個畫素一定都有明暗度的取樣，所以畫面的精細度可以完整保留，但彩度就會依不同的壓縮導致細節產生折損，你可以想像是10bit的色彩被砍成8bit、甚至6bit。這樣的素材直接觀看上可能還好，一旦調色，也容易發生banding，如下圖。

未經調色前，看不出有何差異：

經過Curve把對比拉高後，會發現同樣是8bit，4:2:2的表現還是比4:2:0表現好了許多，更別說是10bit 4:2:2了：

三、結論

色彩深度和色彩取樣是不會直接影響到解析度的，直接影響解析度的是實際畫素(Pixel)。

大型的拍攝案，如電影或廣告，對於素材擷取和後製調校、合成，都有很高的要求，在此情形下，拍攝10bit 4:2:2才有它的意義所在。

然而，即使10bit 4:2:2是最佳品質，最終端輸出、呈現在觀眾眼前的，仍是以8bit 4:2:0為主，網路媒體、藍光影片也都仍以8bit作為主要色彩，大多液晶螢幕也是只支援8bit，所以別在8bit的螢幕前告訴我你看不出這兩種色彩的影像有什麼差別。電視方面則不斷在提昇色彩的處理能力，現大廠電視為了讓色彩不失真，通常會採用12/14/16 bit的影像晶片來轉碼，但實際顯示的色彩仍以8bit最多，再來才是10bit。

有人會想問：「那4:4:4是RAW嗎?」答案是否定的，雖然也是未壓縮的影像，但RAW檔為攝影機/相機廠商自有的CMOS元件導出資訊，故無法拿來和YCbCr的取樣方式做比較。

所以拍攝時要不要追求10bit 4:2:2? 不如先想想最終影片要達成的目標、需要經過什麼樣的處理，否則沒事拍了一堆超高品質的素材回來折磨自己的CPU和顯卡，恐怕也只是事倍功半。