KIẾN THỨC, KỸ THUẬT

Quay video chất lượng 4K để xuất video trình chiếu chất lượng 2K: Ưu thế nhờ Bit Depth

4K-to-2K

Những chiếc camera 4K rẻ nhất đều ở đây, Panasonic GH4 và Sony A7s. Nhưng chẳng ai cần tới 4K đâu phải không? Dù sao thì vẫn có nhiều lợi thế khi quay 4K và giao thành phẩm là nhưng video chất lượng 2K hay 1080p. Thứ nhất, bạn chắc chắn có được những hình ảnh cực kì sắc nét sau khi giảm kích thước từ 4K xuống 2K ở khâu hậu kì so với việc quay ở chất lượng 2K trong camera. Thứ hai là tăng độ chuẩn xác về màu sắc từ hình ảnh downscale (giảm kích thước). Bạn nhận được video 2K 10-bit, hoặc video 2K 12-bit màu từ video 4K 10-bit màu. Đôi khi, lợi thế này bị hiểu lầm, vài người nói rằng làm gì có chuyện như vậy (spoiler: họ sai hết cả). Vì cậy, hãy để tôi giải thích với một vài ví dụ:

Video 4K xuất ra file trình chiếu 2K: Lý thuyết

Phần mềm xử lý hình ảnh và video làm việc với độ bit depth cao để hạn chế những rủi ro về sự thiếu chuẩn xác trong các giai đoạn xử lý. Phổ biến là chuẩn (working precision) có bit depth với giá trị 16 bits hoặc 32 bits. Khi một hình ảnh có độ chuẩn xác không cao được import (nhập) vào, giá trị này sẽ được phóng lớn để fit (vừa) với chuẩn cao hơn đã được định sẵn trong quá trình làm việc. Ví dụ: Nếu chúng ta phóng to hình ảnh 8-bit để vừa chuẩn có giá trị 10-bit thì tất cả giá trị nhân lên 4 lần (multiply by 4). Vậy, 1 trở thành 4, 2 thành 8, 8 thành 12, 100 thành 400, v.v…Lưu ý đây là khoảng cách giữa các giá trị kế tiếp nhau. Chúng ta thật sự chỉ có 8 bits mang giá trị, mặc dù chuẩn làm việc là 10 bits.

Về cơ bản, độ bit depth cao trong quá trình xử lý sẽ tăng độ chính xác khi downscale (giảm kích thước) video. Quá trình này sẽ không hoạt động nếu bit depth được sử dụng trong quá trình làm việc bằng với bit depth của video gốc.

Để hiểu được điều này, chúng ta sẽ bắt đầu với một trường hợp đơn giản sau đây: một hình ảnh grayscale. Giả sử ta có một camera thu được tín hiệu cả 4K và 2K để cho ra những hình ảnh grayscale 8 bits. Cũng như vậy, để giữ cho các con số nhỏ vừa đủ, giả sử chúng ta import vào phần mềm xử lý có độ chuẩn xác là 10 bits.

Giản đồ dưới đây sẽ cho biết điều gì xảy ra với các hình ảnh cả trước và sau khi import. Các bộ vi xử lý hình ảnh có thể dùng cả đống các phương pháp downscale tinh vi phức tạp, tuy nhiên, để đơn giản hóa lại, chúng ta hãy xem như đó là một thuật toán. Với thuật toán này, 4 pixels hay còn gọi là 4 điểm ảnh (có thể mang giá trị khác nhau) cạnh nhau được sử dụng và cho ra 1 pixel mang giá trị trung bình duy nhất thế vào vị trí đó.

4K to 2K gaining bit depth precision

Bây giờ, nó trở nên rõ ràng khi biết độ chuẩn xác về tông màu tăng đến từ đâu. Sau khi import và convert lên 10-bit, hình ảnh gốc chất lượng 2K sẽ chỉ có giá trị là bội số của 4 (multiple of 4), có nghĩa là vẫn chỉ có 8 bits mang giá trị. Mặt khác, những hình ảnh 4K xuống 2K sẽ tận dụng toàn bộ 10-bit coding space (không gian mã hóa).

Trong các ảnh màu, có 3 kênh nhưng nguyên tắc vẫn không thay đổi. Điều được nói trên được áp dụng cho từng kênh. Chúng càng thú vị hơn khi chroma subsampling cũng tham gia. Tôi sẽ không đi vào chi tiết chroma subsampling là gì, mà tôi sẽ cho bạn link sau đây để tìm hiểu.

 

Chroma subsampling 4:2:0 4:4:4 4:2:2

 

Hình ảnh trên cho thấy rằng một khối 2×2 pixels nằm kế cạnh nhau chứa 1 chroma mẫu mang giá trị đúng trên mỗi kênh chroma trong 4:2:0 subsampling video và 2 chroma mang giá trị mẫu đúng trên mỗi kênh 4:2:2 subsampled video. Điều đó có nghĩa rằng downscale 4:2:0 của 8-bit video từ 4K xuống 2K sẽ cho kết quả là 4:4:4 video (không có chroma subsampling) với 10-bit luma và 8-bit các kênh chroma, vì downscale giá trị luma trung bình nhận được 4 mẫu, trong khi đó, downscale giá trị chroma chỉ dùng 1 mẫu. Và như thế, downscale 4:2:2 của 8-bit video từ 4K xuống 2K sẽ cho kết quả là 4:4:4 video (không có chroma subsampling) với 10-bit luma và các kênh 9-bit chroma: downscale giá trị chroma trung bình nhận được 2 mẫu trong trường hợp này.

Có một vài quan điểm quan trọng cần được xem xét ở đây:

  • Khá nhiều trong số tất cả cảm biến dùng trong video là những cảm biến Bayer (Bayer sensors). Mỗi pixel raw (chưa bị nén) chỉ nhạy cảm với các màu đỏ, xanh lá, và xanh lam. Vì thế, một khối 2×2 pixels có 2 pixel mang giá trị xanh lá, 1 pixel xanh lam và 1 pixel đỏ. Điều này có nghĩa là mỗi pixel của video 4K tách bayer (debayered) đến từ cảm biến 4K có 2 trong 3 kênh màu mang giá trị được suy ra từ những pixels xung quanh nó. Về mặt kĩ thuật, điều này đặt ra một giới hạn về tăng độ chuẩn xác các sắc độ từ downscale (mặc dù điều này ít được quan tâm đến việc subsampling video).
  • Compression (nén) cũng nên được đề cập và đánh giá đến. Tất cả mọi thứ trên được mô tả ở một trường hợp lý tưởng khi chưa có bất kì sự hiện diện của lossy compression (chuẩn nén làm giảm chất lượng file). Lossy compression có xu hướng loại bỏ các chi tiết ở tần số cao và, một cách cần thiết, làm mềm các giá trị pixel lân cận. Điều này làm giảm đi lợi ích của tính chuẩn xác khi giảm kích thước, mà không xóa bỏ chúng, như chúng ta có thể thấy được ở ví dụ bên dưới. Trong mọi trường hợp, compression càng nặng, lợi ích thực tế của độ chuẩn xác từ downscale càng ít đi.

Video 4K xuất ra file trình chiếu 2K: ví dụ tổng hợp

Tất cả đều là lý thuyết. để kiểm chứng trong các điều kiện thực tế thì tôi có làm một bài kiểm tra tổng hợp. Tôi vừa sử dụng một vài video có độ phân giải FullHD 1920×1080 và downscale xuống 960×540. Mô phỏng dưới đây được tạo ra dựa theo các bước sau đây trong DaVinci Resolve 10 (Resolve làm việc trực tiếp trong hệ thống 32 bits mà không cần hỗ trợ ngoài):

  • Video 1080p đủ tỉ lệ màu [full color (4:4:4)] với bitdepth cao (14-bit) không nén (uncompressed) import vào DaVinci Resolve. Footage nguồn có hình ảnh được quay ra file RAW chất lượng tốt với Canon Magic Lantern.
  • Video fullsize (đủ kích thước) xuất ra video thông số 175mbps 8-bit 4:2:2 DNxHD intraframe codec (23.976fps). Đây là video ta sử dụng tạm thời thay cho video 4K 8-bit 4:2:2.
  • Video halfsize (nửa kích thước) xuất xuất ra video thông số 175mbps 8-bit 4:2:2 DNxHD intraframe codec (xem như là hình ảnh 960×540 chính giữa khung hình với viền đen lớn bao bọc xung quanh trong video 1080p). Đây là video ta sử dụng tạm thời thay cho video 2K 8-bit 4:2:2.
  • Cả hai clips fullsize và halfsize được import ngược lại vào Resolve timeline 960×540. Video fullsize được downscale xuống độ phân giải của timeline với một bộ lọc Smoother scaling filter, do đó, việc tạo ra footage “4K xuống 2K” 10-bit. Video halfsize được import mà không bị thay đổi kích thước (crop giữa tỷ lệ 1:1 từ khung hình 1080p).
  • Nâng độ cân bằng Gamma được áp dụng cho cả 2 clips để tăng độ sáng lên một ít và nhấn mạnh vào hình ảnh, sau đó thêm một ít độ tương phản de639 dễ thấy độ hư hại của hình ảnh.
  • Xuất với tùy chọn không nén (uncompressed) cả hai khung hình của 2 clips.

Đây là một vài hình ảnh crops mang đi so sánh. Màu đen là vùng nhạy cảm nhất trong dãy màu vì nó thiếu độ chính xác của sắc độ, do đó chúng ta cần tăng vùng này lên để làm rõ nó nhiều nhất. Đó cũng đồng thời là phạm vi đạt được độ chính xác nhất trong quá trình thực hiện đi tìm sai sót trong việc downscale.

2K video vs 4K for 2K video

Những minh chứng trên cho thấy sự vượt trội của video “4K xuống 2K”. Nó giải quyết những vấn đề trong quá trình xử lý tốt hơn đáng kể. Cũng cần để ý đến sự khác biệt về độ sắc nét. Ví dụ này sử dụng DNxHD 175 mbps 8-bit 4:2:2. Các codecs khác thường được dùng để nén vào nguồn HDMI có thể hoặc không thể xử lý tín hiệu nguồn một cách tốt nhất.

Vậy, làm sao để áp dụng điều này thực tiễn vào các camera?

Trên Panasonic GH4 bạn có thể thu trực tiếp (internally) video 4K 8-bit 4:2:0 (độ nén lớn nhất tại 100 mbps) và thu qua một đầu thu khác (externally) video 4K 4:2:2. Cái đầu tiên cho bạn video 2K 4:4:4 với 10-bit luma và 8-bit chroma. Cái thứ hai cho bạn video 2K 4:4:4 với 12-bit luma và 11-bit chroma. Còn trên Sony a7s bạn có thể thu gián tiếp qua một đầu thu khác (externally) video 4K 4:2:2 8-bit. Nó sẽ cho bạn video 2K 4:4:4 với 10-bit luma và 9-bit chroma. Cả 2 trường hợp trên bạn đều cần 1 đầu thu ngoài 4K như Atomos Shogun hoặc Convergent Design Odyssey 7Q.

 

(Theo shutterangle.com)

 

You Might Also Like

Leave a Reply