พอพูดคำว่าChroma Subsamplingขึ้นมา หลายท่านที่ไม่ได้อยู่ในแวดวงเกี่ยวกับด้านภาพก็อาจจะงงได้เหมือนกันว่าคืออะไร มีความสำคัญยังไง ทำไมถึงต้องรู้เรื่องนี้ด้วย แต่ถ้าบอกว่าคือค่าที่ต้องตั้งในเครื่องทีวี โปรเจคเตอร์ เครื่องเล่นBlu-ray เครื่องเล่นไฟล์ Apple TV หรือเครื่องต่างๆที่เกี่ยวข้องกับสีของภาพ เช่นมีการกำหนดให้ตั้งค่าเป็น 4:4:4, 4:2:2 , 4:2:0 ฯลฯ ค่าพวกนี้แหละที่เรียกกันว่าค่า Chroma Subsampling คราวนี้เริ่มคุ้นกับตัวเลขเหล่านี้บ้างหรือยัง ในฉบับนี้เราลองมาดูกันว่าค่าต่างๆเหล่านี้มันหมายถึงอะไร มีความสำคัญยังไง มีที่มาที่ไปเป็นยังไงบ้าง แล้วจะต้องตั้งค่าอะไรในทีวี หรือเครื่องเล่นลองมาดูกันครับ
ความจริงค่านี้จะเกี่ยวข้องกับทั้งในเรื่องของกล้อง มือถือ เครื่องเล่นระบบภาพและเสียงต่างๆ แต่ในที่นี้ผมจะเน้นไปที่ใช้ในห้องhome theater โดยการตั้งค่านี้ในหลายเครื่องเล่นจะอยู่ในชื่อเมนูที่ต่างกัน บางเครื่องอยู่ในเมนูของHDMI บ้างก็อยู่ในเมนูChroma บ้างก็อยู่ในเมนูของColor spaceเช่นในเครื่องเล่นBlu-ray Oppo UDP-203, 205 seriesก็จะมีให้เลือกว่าเป็น RGB Video Level, RGB PC Level, YCbCr 4:4:4, 4:2:2, 4:2:0 เอาเป็นว่าถ้าตัวไหนที่มีfunctionให้เลือกเป็นตัวเลขชุดสามตัวเหล่านี้ผมจะเรียกชื่อรวมๆไปละกันว่าคือเรื่องของChroma Subsampling
ถ้าจะกล่าวถึงที่มาจริงๆเรื่องนี้มีมาตั้งแต่สมัยปี ค.ศ.1952 ยุคการส่งภาพในระบบNTSCที่เป็นแบบanalogโดยจะเข้ารหัสข้อมูลRGBที่ต้องใช้การส่งข้อมูลด้านภาพเยอะมากกลายเป็นYCbCrทำให้ลดปริมาณการส่งข้อมูลด้านภาพลงถึงครึ่งหนึ่งโดยภาพที่ส่งออกไปยังมีคุณภาพดีอยู่และสายตามนุษย์จับได้ยาก ซึ่งรากฐานในเรื่องนี้วิศวกรจะอาศัยความรู้ด้านBio/Mechanical Color Systemของมนุษย์
ก่อนหน้าที่จะพูดลึกลงไป ลองดูรูปปราสาท2รูปที่ผมได้ลองส่งให้เพื่อนๆหลายคนดูในsocial mediaบ้างแล้วใครสนใจก็เข้าไปในFBของHome Theater Pro Thailandแล้วdownloadลองเล่นดูเพราะสิ่งนี้แหละที่เป็นพื้นฐานของการใช้Chroma Subsampling รูปแรกจะเป็นรูปปราสาทที่มีสีฟ้า สีเหลืองเป็นปื้นๆ ให้เราลองจ้องที่ดาวตรงกลางซักห้าวินาที แล้วก็ให้แตะหรือกดเปลี่ยนรูปเป็นรูปที่สอง รูปปราสาทขาวดำโดยที่สายตายังคงมองอยู่ที่ดาวตรงกลางอยู่ แต่เวลาเปลี่ยนต้องให้ภาพเปลี่ยนทันทีนะครับใช้การปัดภาพแล้วภาพเลื่อนเปลี่ยนไปไม่ได้เพราะตาเราจะหลุดจากตัวดาวตรงกลางภาพ แล้วจะทำให้ไม่เห็นความเปลี่ยนแปลงอะไร ซึ่งถ้าใครทำถูกตามที่บอกจะเห็นได้ว่าภาพที่สองที่เป็นภาพปราสาทขาวดำในช่วงเสี้ยววินาทีแรกเราจะเห็นภาพนี้เป็นภาพสีที่มีท้องฟ้าเป็นสีฟ้า เมฆเป็นสีขาว ปราสาทเป็นสีน้ำตาลอย่างสวยงาม ก็น่าแปลกใจใช่ไหมครับว่าทั้งๆที่ภาพนี้เป็นภาพขาวดำแต่เราก็สามารถมองเห็นสีของภาพที่ถูกต้องในภาพนี้ได้
คำตอบก็เพราะว่าจากลักษณะทางชีววิทยา สายตาของมนุษย์จะตอบสองต่อภาพสีขาว สีดำ มากกว่าภาพสีเนื่องจาก rods cellที่อยู่ในตาทำหน้าที่แยกความสว่างของสีขาว สีดำ(contrastของภาพ)มีจำนวนrods cellถึง 120ล้านเซล ในขณะที่cones cellทำหน้าที่รับสีนั้นมีอยู่แค่ 6-7ล้านเซลเท่านั้น ดังนั้นความสำคัญของความเข้มความสว่างของสีขาวสีดำ(contrast)จึงมีบทบาทที่สำคัญมากกว่าสีของภาพ อย่างในภาพปราสาทภาพแรกเมื่อเรามองที่ภาพสีนานๆcone cellก็จะเก็บข้อมูลสีแล้วส่งไปที่สมองแต่เนื่องด้วยcone cellมีจำนวนน้อยเมื่อมองนานเข้าก็จะเริ่มมีอาการขี้เกียจและเข้าสู่ภาวะหลับ การส่งข้อมูลไปยังสมองจึงลดความเร็วการตอบสนองลง ทำให้ข้อมูลสีเกิดการซ้อนกันกับภาพปราสาทภาพที่สองที่เป็นภาพขาวดำ ทำให้เกิดเป็นภาพปราสาทที่มีสีถูกต้องและไล่ระดับสีได้เหมือนภาพปกติ ดังนั้นจะเห็นได้ว่าค่าความสว่างความมืด(Luma)เป็นพื้นฐานที่สำคัญในการมองเห็นภาพของมนุษย์ส่วนสี(Chroma)นั้นเป็นสิ่งที่เติมเข้ามาให้ภาพนั้นมีความสมบูรณ์ เช่นถ้าเราตัดส่วนสีออกจากภาพทั้งหมด ภาพที่ออกมาก็จะกลายเป็นภาพขาวดำ แต่ถ้าเอาค่าความต่างระหว่างความสว่างและความมืดของภาพออกไปหรือที่เรียกกันว่าcontrastของภาพออกไปนั้นเราก็จะไม่เห็นอะไรในภาพเลย ตรงนี้เองจึงอาจจะเรียกได้ว่าภาพที่มนุษย์เรามองเห็นอยู่นั้นคือcontrastของภาพไม่ใช่สีของภาพ ถ้าให้เรียงลำดับความสำคัญของสิ่งที่มีผลต่อคุณภาพของภาพมากที่สุด ที่หนึ่งก็คือcontrastของภาพ อันดับสองก็คือความเข้มของสี(Color saturation) อันดับสามคือความถูกต้องของสีในภาพ(Color Accuracy) และสิ่งที่มีความสำคัญน้อยที่สุดในสี่อย่างนี้ก็คือความละเอียดของภาพ(Resolution) ดังนั้นการมาถึงของภาพแบบHDRจึงให้ภาพที่ออกมาดูสวยงามสมจริงมากกว่าการที่จอภาพมีรายละเอียดมากขึ้นเป็น 4K เป็น 8K หรือเป็น 10Kเพราะคนเรามีข้อจำกัดในการแยกแยะรายละเอียดภาพ เช่นถ้านั่งดูทีวีระยะเกิน 3เท่าของความสูงของจอภาพเมื่อเพิ่มความละเอียดภาพเป็น 4K หรือมากกว่าเป็น 8K 10Kก็คงไม่มีผลกระทบอะไรมากมายต่อคุณภาพของภาพแล้ว เพราะไม่สามารถแยกแยะรายละเอียดที่เพิ่มขึ้นมาเหล่านั้นได้
จากหลักการทางชีววิทยาการมองเห็นนี้ วิศวกรก็ได้เอามาประยุกต์ให้สามารถลดข้อมูลด้านสีของภาพลง แต่ไม่ลดข้อมูลความสว่างของสีขาวและสีดำ ก็จะทำให้ภาพที่ออกมายังดีอยู่ไม่เสียหายมากและขนาดของข้อมูลก็มีขนาดลดลงด้วยทำให้สะดวกในการจัดเก็บ การส่งข้อมูล โดยได้เปลี่ยนข้อมูลการส่งภาพแบบ RGBที่ส่งข้อมูลสีแดง เขียว และน้ำเงินพร้อมความความเข้มแต่ละสี แล้วเอามารวมกันให้เกิดเป็นpixel กลายมาเป็นการส่งในรูปแบบY Cb Cr (บางที่ก็ใช้ตัวย่อเป็นYUV)โดยYจะส่งข้อมูลlumaหรือระดับความเข้มของแสงหรือความสว่างของภาพที่เป็นขาวดำอย่างเดียว(Brightness value) ส่วนCb(U)และCr(V)จะส่งข้อมูลchromaหรือข้อมูลสีเท่านั้น(Color value) โดยถ้ามีการส่งข้อมูลมาเต็มที่ไม่มีการย่อหรือลดข้อมูลลงจะใช้ตัวเลข4(จำนวนPixelที่เกี่ยวข้อง) ดังนั้นคิดคร่าวๆถ้าYCbCrส่งข้อมูลมาเต็มที่ไม่มีการบีบอัดข้อมูล เช่นเดียวกับRGBก็จะใช้รหัสเป็น 4:4:4 ซึ่งก็คือfull color sampling ส่วน4:2:2ก็จะลดขนาดของCbและCrลงจาก4ส่วนเป็น2ส่วนหรือเอาข้อมูลสีมาแค่ครึ่งเดียวส่วนข้อมูลความสว่างของสีขาวดำไม่ได้ลดข้อมูลลง หรือ4:2:0ก็หมายถึงเอาข้อมูลสีมาแค่1/4ของข้อมูลสีทั้งหมดและไม่ได้ลดข้อมูลของภาพขาวดำเช่นกัน
คราวนี้ลองมาดูDiagramsประกอบเพื่อจะได้เข้าใจมากขึ้น จากรูปจะเห็นเป็นช่องสี่เหลี่ยมสี่ช่องสองแถว ช่องสี่เหลี่ยมก็หมายถึงpixelที่เราเกี่ยวข้องด้วยที่มีอยู่4pixelแต่มีสองแถวก็เพราะเป็นการsamplingซ้อนกันของสองlayer ตัวเลข4ตัวแรกก็หมายถึงค่าYหรือค่าความสว่างของสีขาวสีดำทั้งสองlayerหรือทั้งสองแถว โดยเลข4ตัวที่สองหมายถึงข้อมูลค่าสีในแถวบนหรือชั้นสีCb ส่วนเลข4ตัวที่สามก็เป็นค่าสีของแถวล่างหรือชั้นของสีCr โดยถ้าไม่มีการลดข้อมูลใดๆใส่ข้อมูลมาเต็มทั้งหมดค่าก็จะเป็น 4:4:4
ยังจำภาพปราสาทที่ให้ดูตั้งแต่ตอนแรกได้ไหม นั่นแหละครับเป็นการซ้อนกันของภาพขาวดำที่เป็นความเข้มความอ่อนของแสงสีขาวรวมกับภาพปราสาทที่เป็นสีปื้นๆดูไม่ออกว่าเป็นอะไรแค่รูปเดียวหรือชั้นเดียว เมื่อรวมกันออกมาก็ทำให้เห็นภาพท้องฟ้าสีฟ้า เมฆทีเทาสีขาว ปราสาทสีน้ำตาลโดยที่ไม่ต้องอาศัยข้อมูลRGBทั้งหมดที่เป็นสีแดง สีเขียว สีน้ำเงินร่วมกับรายละเอียดความมืดความสว่างของแต่ละสีอยู่ซึ่งจะใช้ไฟล์ขนาดใหญ่มาก แต่เราใช้ความรู้ที่ว่ามนุษย์ตอบสนองต่อความแตกต่างของความสว่าง(dynamic range)ได้ดีกว่าการตอบสนองต่อสีอย่างที่อธิบายไว้ข้างต้นก็ทำให้สามารถลดข้อมูลชั้นของสีที่เป็น Cb และ Cr โดยภาพก็ยังสามารถดูได้ไม่ส่งความเสียหายของภาพมากนัก อย่างเช่น 4:2:2ก็จะเป็นการลดขนาดไฟล์โดยลดข้อมูลของชั้นสีCb และCrลงอย่างละครึ่งโดยข้อมูลของสีที่ลดลงนั้นก็ไปเอาข้อมูลสีจากpixelข้างเคียงร่วมกับการใช้หลักการคำนวณทางคณิตศาสตร์จากค่าY(Brightness value)ที่มีอยู่ ในสมการที่ว่า Y=0.990R + 0.5870G + 0.1140B ของภาพแบบStandard definition(Y=Brightness, R=สีแดง, G=สีเขียว, B=สีน้ำเงิน) หรือถ้าเป็นภาพแบบHigh Definitionก็เป็น Y = 0.2126R + 0.7152G + 0.072B ก็จะทำให้ภาพที่ออกมาจากเข้ารหัสแบบ 4:2:2 นั้นภาพใกล้เคียงกับ 4:4:4มาก โดยตั้งแต่มีการส่งข้อมูลผ่านสายHDMIออกมาการเข้ารหัส YCbCr 4:2:2 ก็ถูกสนับสนุนว่าเป็นUncompressed(ทั้งๆที่มีการcompressed) เพราะว่าภาพที่ออกมานั้นใกล้เคียงกับ 4:4:4มาก ในขณะที่ลดขนาดไฟล์ได้มาก ทำให้ความจำเป็นในการใช้Bandwidthสูงๆลดลง
รูปที่10 การลดขนาดของข้อมูลไฟล์ภาพลงโดยเข้ารหัสในรูปของภาพขาวดำ(Luma)และลดข้อมูลของสีลงไป(Chroma)
เมื่อเปลี่ยนcolor spaceจากRGBเป็นYCbCr color spaceโดยลดขนาดข้อมูลทางด้านสีของภาพลงในขณะที่ยังคงข้อมูลความสว่างของสีดำสีขาวก็จะลดข้อมูลลงได้มากเช่น ในYCbCrแบบ 4:4:4 8bitที่ไม่มีการบีบอัดข้อมูลเลยเหมือนRGBก็ต้องมีการส่งข้อมูลในแต่ละpixelเป็น 24bpp(bits per pixel) คือจาก8ของY รวมกับ 8ของ Cb และ 8ของCr แต่ถ้าดูตารางด้านขวาที่เป็นsubsamplingแบบ 4:2:0 ในข้อมูลส่วนของภาพขาวดำก็จะใช้เต็มคือ 8bit แต่ข้อมูลสีจะลดลง CbกับCrจะเหลือเพียงแค่ 4bitเท่านั้น ดังนั้นรวมแล้วในแบบ 4:2:0สามารถลดข้อมูลลงได้กว่า 50% ซึ่งการบันทึกข้อมูลลงในแผ่นBlu-rayหรือแผ่น4K HDRก็จะใช้การsamplingแบบ 4:2:0นี่แหละครับแล้วเครื่องเล่นแผ่นถึงจะขยายข้อมูลเป็น 4:2:2 หรือ 4:4:4 เพื่อส่งออกต่อไปยังเครื่องโปรเจคเตอร์หรือทีวีอีกที
ตอนนี้พอระบบภาพกำลังเข้าไปสู่ความละเอียดระดับ4K HDRที่มีขนาดของไฟล์ภาพเพิ่มขึ้น เรื่องของChroma Subsamplingจึงเริ่มมีบทบาทขึ้นมา ลองสังเกตดูตอนนี้ทั้งเครื่องเล่น จอภาพ อุปกรณ์เกี่ยวกับภาพและเสียง เหล่านี้ต่างให้เราตั้งค่าChroma Subsamplingกันทั้งนั้น แม้กระทั่งApple TV4Kตัวใหม่ที่ออกมาก็ต้องให้ผู้ใช้ตั้งค่านี้ในการติดตั้งด้วย เพราะว่าเมื่อความละเอียดภาพเพิ่มขึ้น ข้อมูลHDRที่เพิ่มขึ้นจาก 8bit เป็น 10bitในHDR10,Hybrid Log Gamma หรือ12bitในDolby Vision HDRทำให้ข้อมูลมีปริมาณมากขึ้นมาก อุปกรณ์ที่ใช้ก็อาจจะยังไม่รองรับการส่งข้อมูลจำนวนมากในเวลาน้อยๆได้หรือมีbandwidthที่ไม่กว้างมากพอ การเข้ารหัสChroma Subsamplingจึงมีความสำคัญ ดังนั้นถ้าเราตั้งค่าChroma Subsamplingไม่เหมาะสมก็จะทำให้ภาพหายไป หรือแสดงภาพออกมาในคุณภาพที่ต่ำลงกว่าที่ควรจะเป็นได้
อย่างเช่นสายHDMIตอนนี้ส่วนมากที่ใช้ๆกันตั้งแต่สมัยภาพ1080p จะยังเป็นรุ่นHDMI 1.4รองรับbandwidthอยู่ที่ 10.2Gbps ซึ่งถ้าเอาไปใช้ดูหนัง 4K HDR 4:4:4 ก็ไม่ได้ดังที่แสดงตามตาราง ก็ต้องเปลี่ยนChroma Subsamplingเป็น 4:2:2 แต่อ้าวพอเจอหนังที่เป็น 4K HDR 4:2:2 ที่มีframe rateเป็น 50หรือ60frame per second อย่างเช่นในภาพยนตร์4K HDRเรื่องBilly Lynn’s Long Halftime Walkก็ไม่ได้อีก ซึ่งภาพยนตร์เรื่องนี้Ang Leeผู้กำกับหนังระดับรางวัลออสการ์เลือกใช้การบันทึกภาพแบบ 4K HDR ที่60Frame per secondเพื่อให้ภาพออกมามีการเคลื่อนไหวที่smoothสมจริงเหมือนในธรรมชาติมากขึ้น ดังนั้นหนังแบบนี้ก็ต้องเปลี่ยนสายเป็นHDMI 2.0ที่สามารถรองรับความเร็วได้ 18Gbps ถึงจะสามารถแสดงภาพแบบ 4K HDR 4:4:4 60pได้อย่างไม่มีปัญหา แต่ไม่ใช่เฉพาะเรื่องของสายHDMIอย่างเดียวนะครับ เครื่องเล่นแผ่น, Projector, ทีวี, Scalerฯลฯ อุปกรณ์ที่ใช้อยู่ในระบบก็ต้องรองรับการส่งความเร็วแบบ 18Gbpsด้วย ไม่อย่างนั้นก็จะเกิดปัญหาขึ้น
และล่าสุดความละเอียดระดับ 8Kกำลังเข้ามาในทีวีแล้ว อีกหน่อยถ้าต้องการดูภาพในระดับความละเอียด 8K หรือความละเอียดระดับ4320/60p 12bit HDR 4:4:4 ต้องใช้bit rateอยู่ที่ประมาณ 72Gbps สายHDMI รุ่นใหม่ล่าสุดแบบHDMI2.1ที่รองรับความเร็ว48Gbpsคงไม่พอแล้ว ก็คงต้องอาศัยการลดค่าChroma Subsamplingหรือเปลี่ยนสายHDMIอีกที
ต่อไปถ้าจะดูภาพ 4Kได้อย่างเต็มที่โดยไม่มีปัญหาสายHDMIราคาแพงๆ ออกแบบสวยงาม ก็ไม่สำคัญเท่าสายเส้นนั้นรองรับBandwidthความเร็วระดับ 18Gbpsหรือไม่ และอีกอย่างที่จะเป็นตัววัดสำคัญของสายHDMIในห้องHome Theaterก็คือสายเส้นนั้นสามารถส่งผ่านความเร็วระดับ18Gbpsที่ความยาวเกินสิบเมตรได้หรือไม่เนื่องจากในความเป็นจริงของห้องHome theaterโดยทั่วไปเครื่องเล่นต้นทางมักจะอยู่ไกลกับเครื่องโปรเจคเตอร์ ต้องมีการลากสายHDMIยาวๆจากเครื่องเล่นมายังโปรเจคเตอร์ที่บางทีเพื่อความสวยงามจะต้องลากฝังเข้าไปในฝ้าหรือฝาผนังกว่าสิบห้าเมตร ดังนั้นผมมีคำแนะนำไว้ว่าใครที่กำลังทำห้องhome theater ก็ควรจะต้องเช็คให้แน่ใจก่อนว่าสายHDMIที่จะฝังเก็บสายให้สวยงามนั้นสามารถส่งผ่านข้อมูลBandwidth ตามความละเอียด ตามframe rate, Chroma Subsampling อย่างที่เราต้องการหรือไม่ เพราะภาพระดับ 4K HDR 10-12bit @60p,50p 4:4:4 ต้องการสายHDMIและเครื่องเล่นที่รองรับBandwidthอย่างน้อย 18Gbps และอีกอย่างหนึ่งที่อยากจะฝากไว้ก็คือต้องหาวิธีที่สามารถเปลี่ยนสายHDMIได้ในอนาคตได้ง่ายๆเผื่อเอาไว้ เพราะสายที่ตอนนี้รองรับเทคโนโลยีในขณะนี้ได้ แต่ในอนาคตเมื่อมีเทคโนโลยีใหม่ก็ต้องมีการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์ต่างๆ อุปกรณ์ที่เคยใช้อยู่ก็อาจจะไม่รองรับแล้ว โดยเฉพาะเทคโนโลยีในด้านภาพนั้นไปเร็วจริงๆครับ
