Čo je to za hlúposť. Veď ak mám monitor s rozlíšením 1920 × 1080 bodov, tak nech na ňom pustím aj video s rozlíšením hoc aj milión × milión, vždy sa zmenší len na to moje a hotovo. Ako to môže vyzerať lepšie?

Možno si hovoríte, že je predsa jasné, že 4K video je omnoho obrazovo kvalitnejšie, než Full HD video, pretože má až štvornásobný počet pixelov. Môže byť teda perfektne ostré a ukázať obrovské detaily. Kam sa hrabe Full HD televízor s 2 miliónmi pixelov na Ultra HD televízor s 8 miliónmi pixelov? Je samozrejmé, že ten druhý bude mať na pohľad lepší obraz.

OK, ale čo ak zoberiete rovnaký film, pričom jedna jeho verzia bude vo Full HD rozlíšení a druhá v 4K rozlíšení a pustíte ho na svojom Full HD televízore, monitore alebo displeji smartfónu. Bude 4K video lepšie aj tak?

Pixel je pixel a váš displej ich skrátka zobrazí len toľko, koľko ich fyzicky má. Ak je zložený z 1920 × 1080 bodov (a má teda zhruba cca 2 milióny pixelov), tak po spustení videa s rozlíšením 3840 × 2160 bodov (cca 8 miliónov pixelov) sa na žiadne 4K video pozerať nebudete. Váš monitor zobrazí len 2 milióny pixelov a hotovo.

Ako to, že je teda 4K video obvykle po obrazovej stránke viditeľne lepšie? Čo je to za trik?

Je pravdou, že v ideálnom svete by video s rozlíšením Full HD malo na vašom Full HD displeji vyzerať rovnako, ako totožné 4K video s ekvivalentným dátovým objemom (v ktorom je braný do úvahy väčší počet uložených pixelov). Počet pixelov ktoré monitor zobrazuje je totiž totožný a obraz by preto mal byť rovnaký.

V praxi tomu tak však nie je, pretože do hry vstupujú dva základné faktory, ktoré jeho kvalitu ovplyvňujú aj inak. V súvislosti s témou tohto článku ide predovšetkým o dátový tok a kódovanie farebnej schémy.

Kým rozdiel kvality spôsobený dátovým tokom mnohých ľudí napadne, tak druhý faktor s farebnou schémou, či presnejšie s podvzorkovaním farbonosných zložiek, bude pre mnohých neznámou. Poďme sa teda pozrieť na to, čo je vlastne vo veci.

Dátový tok: dôvod, prečo môže mať totožné Full HD video objem 500 MB aj 10 GB

Zhrň to do dvoch viet: Výrazný rozdiel v obrazovej kvalite 4K videa vs. Full HD videa prehrávaného na Full HD displeji je často spôsobený len tým, že 4K video má použitý omnoho väčší dátový tok, než je v základe potrebné na nesenie jeho štvornásobného počtu pixelov. Väčší dátový objem je využitý na to, že stratový kompresný algoritmus môže byť menej agresívny a zachová omnoho viac detailov.

Presnejšia odpoveď: Ak ste si niekedy stiahli nejaké to video z internetu, možno viete, že konkrétny film v rozlíšení 1080p (či 720p) si môžete stiahnuť vo veľkosti napríklad 500 MB, 2 GB, 10 či 15 GB, pričom rozdiel v obrazovej kvalite bude hlavne v tých prvých troch prípadoch masívny. Rozlíšenie samo o sebe totiž nie je jediný faktor kvality videa a ostrosť a iné obrazové vlastnosti ovplyvňuje predovšetkým použitý druh kompresie a jeho sila. Keďže na video sa používajú stratové kompresné formáty, tak čím nižší dátový tok video má, tým je jeho obrazovú kvalitu ťažie zachovať.

Pozrite sa napríklad na tieto dva identické obrázky. Obidva majú totožné rozlíšenie 702 × 395 pixelov. Kým vrchný zaberá 76 KB, spodný len 32 KB. Na to aby to kompresný algoritmus JPEG dokázal, musí zahodiť viac ako polovicu dát.

Kompresný algoritmus pravdaže dáta odstraňuje tak, aby zachoval čo možno najlepšiu obrazovú kvalitu. Využíva pritom slabiny ľudského zraku (prípadne sluchu pri audio algoritmoch). Dáta sa odstraňujú teda tam, kde si to najmenej všímame, čo je princípom práce každého stratového kompresného mechanizmu. Všetko má ale svoje limity a čím je stratová kompresia väčšia, tým viac úbytok dát a kvality budeme vnímať.

Rovnaké je to aj pri kompresných algoritmoch videa. Každá jeho sekunda sa totiž takisto skladá zo statických fotografií (napríklad z 25). Je pravda, že kompresný algoritmus videa má šancu dáta šetriť aj inak, než na základe slabín zraku, pričom obvykle využíva to, že veľká časť obrazu zostáva pri nadväzujúcich snímkach totožná a stačí mu ju teda mať uloženú len raz. Nič však nie je možné uberať bez viditeľnej straty donekonečna a na obraz dôjde takisto.

To, koľko dát putuje do sekundy videa určuje maximálny povolený dátový tok, v angličtine bitrate. Fixne sa však nastavuje zriedkakedy, pretože je vhodnejšie použiť variabilné prideľovanie podľa zložitosti scény (napríklad na rýchle prestrihy a scény sa používa omnoho viac dát, ako na takmer nehybné, kde toľko dát skrátka nie je potreba). Výsledné číslo, ako je napríklad 2850 kb/s (cca 2,5 GB na 2 hodiny + dáta zvuku), je teda priemerom.

Ako to teda súvisí so 4K videom? Ak máte film v rozlíšení 1080p vo veľkosti 500 MB a 5 GB, ten druhý bude obrazovo omnoho kvalitnejší, pretože stratový kompresný algoritmus musel zahodiť omnoho menej dát (ktoré sa napríklad nachádzali na 25 GB originálnom Blu-ray disku). Ako vidieť, počet pixelov v takomto prípade nehrá rolu.

To isté sa dá povedať, ak máte napríklad film v rozlíšení 1080p s kapacitou 5 GB a následne totožný film v rozlíšení 4K a objemom 20 GB. Aj keď na vašom Full HD monitore budú mať oba iba rozlíšenie 1920 × 1080 bodov, ten druhý bude pochopiteľne obrazovo omnoho kvalitnejší. Príčinou je však omnoho vyšší dátový tok a teda nižší stupeň kompresie, nie rozlíšenie.

Mohlo by sa pritom zdať, že 4K film musí byť teda minimálne 4× objemnejší, aby sa začali rozdiely v stupni kompresie prejavovať, pretože kapacitu zaberá hlavne počet pixelov, ktoré je treba uložiť (aj keď sa vo finále vlastne nezobrazujú). Takto to ale pri kompresii videa, kde sa robia machinácie so statickými časťami pre šetrenie dát, neprebieha. Efekt bude vidieť aj pri dvojnásobnom dátovom objeme a ak hovoríme o súboroch presahujúcich 10 GB, bude stačiť dokonca ešte menej. S narastajúcim objemom je totiž tento „pixelový paradox“ čoraz menej významný.

Dátový tok ale nie je všetko. Do kvality na vašom Full HD displeji totiž vstúpi aj faktor farby pixelov.

Keď sa podvzorkovaním šetrí na farbe a keď sa 4 × 3 = 6

Druhou vecou, ktorá vplýva na to, že 4K video obvykle pôsobí na Full HD displeji lepšie, ako Full HD video ako také, súvisí s kompresiou v rámci farebného modelu. Ide o techniku nazvanú ako Podvzorkovanie farbonosných zložiek, v angličtine označovanej ako Chroma subsampling.

Zhrň to do dvoch viet: Aby video ušetrilo miesto, tak namiesto definovania presnej farby pre každý pixel obrazu zvlášť sa obraz rozdelí na zhluky štvoríc pixelov, ktoré niektoré informácie o farbe zdieľajú. Tak to robí Full HD aj 4K video, avšak pri zmenšení štvornásobne väčšieho 4K obrazu na Full HD displej dôjde k tomu, že sa vytvorí Full HD obraz s unikátnymi farebnými dátami pre každý pixel (4 : 4 = 1)

Presnejšia odpoveď: Je niekoľko možností, ako ukladať/zobrazovať farebnú informáciu. Pri monitoroch sa obvykle stretnete s tým, že farba sa vytvára zmiešaním červeného, zeleného a modrého svetla (farebný model RGB – Red Green Blue), zatiaľ čo tlačiarne, ktoré so svetlom pravdaže nepracujú, musia používať na zlievanie farieb azúrovú, purpurovú, žltú a čiernu (model CMYK – Cyan, Magenta, Yellow, Key black).

V rámci digitálneho videa a fotiek sa obvykle používa na skladanie farieb model YCbCr. Je tvorený troma informáciami. Jasom (Y) a chrominačným komponentom v rámci modrého (Cb – Chroma blue) a červeného spektra (Cr – Chroma red). Nejde o absolútny farebný model, pretože počíta s tým, že obraz je následne zobrazovaný na displeji používajúcom RGB model. Ide teda prakticky o odlišný spôsob kódovanie RGB informácie.

Dôležité je, že v základe by každý pixel videa mal mať definované tri informácie: aký je jas farby (Y) a aké sú rozdiely v rámci červenej (Cr) a modrej (Cb). Faktom ale je, že ľudské oko je mimoriadne citlivé len na ten prvý parameter a červeno modrý náklon vníma omnoho menej. To je využité k tomu, aby sa šetrili dáta.

Video teda obvykle neukladá tieto informácie pre každý pixel zvlášť, ale pre štyri susediace pixely dohromady. To znamená, že zhluk štyroch pixelov má síce štyri rôzne informácie o farebnom jase, ale len jednu spoločnú informáciu o červenom a modrom náklone, ktorú používajú všetky štyri tieto pixely.

Štyri pixely tak namiesto 12 unikátnych dátových hodnôt (4×Y, 4×Cb, 4×Cr) majú len 6 (4×Y, 1×Cb, 1×Cr). Dôjde teda k ušetreniu 50 % dát, avšak k  75 % strate Cb/Cr informácie.

Túto schému, ktorá sa nazýva 4 : 2 : 0 používa prakticky každé video, s ktorým ste sa kedy stretli. Rozlíšenie naň nemá vplyv. Nielen Full HD, ale aj 4K video takto „klame“ a zjednodušuje.

Lenže pozor. Ak budete na Full HD displeji prehrávať 4K video, dôjde k niečomu zvláštnemu. Keďže 4K video má štvornásobok pixelov ako Full HD video a pre zobrazenie na Full HD displeji sa musí v reálnom čase subsamplovať na štvrtinovú veľkosť, k čomu dôjde?

No predsa k tomu, že každá štvorica pixelov 4K videa sa stane jedným pixelom Full HD videa. Lenže toto Full HD video má už farbu definovanú unikátne pre každý pixel zvlášť! Dôjde teda k vytvoreniu nadštandardného Full HD obrazu s plnou farebnou schémou 4 : 4 : 4.

Aj keď na Cb/Cr informáciu sme v rámci tejto farebnej schémy menej citlivý, jej 75 % pridanie netreba brať na ľahkú váhu. Na zlepšenie kvality obrazu má podiel. Ide samozrejme o dôsledok toho, ako video spracovávame. Ak by ste prehrávali nespracované Full HD video z profesionálnej hollywoodskej kamery v plnej podobe 4 : 4 : 4, žiadneho farebného rozdielu so zmenšeným 4K obrazom by sme si nevšimli.

Pozor. Bez dátového toku ani pixel nehrabe

Je nutné si však uvedomiť, že tieto veci automaticky neznamenajú, že každé 4K video s ktorým sa kedy stretnete bude vyzerať lepšie, ako Full HD video. To ani náhodou. Ak je dátový tok 4K videa rovnaký, či dokonca ešte menší, ako v prípade HD videa, situácia sa obráti. Počet uložených pixelov je náhle príťaž, pretože kompresný algoritmus musí byť omnoho agresívnejší a zahadzuje oveľa viac dát.

Dobrým príkladom je napríklad streaming. Na YouTube, Netflixe či Amazone narazíte na množstvo 4K obsahu, ktorý je obvykle značne v lepšej obrazovej kvalite, ako ponúkaný HD obsah. Nečakajte však, že takéto 4K video v objeme hŕstky GB bude obrazovo kvalitnejšie, ako obraz ktorý vidíte pri prehrávaní 25 či 50 GB Blu-ray disku vo Full HD rozlíšení. Dátový tok skrátka nie je dosť veľký, aby ho dobehol. Do hry vstupuje aj efektivita kompresné algoritmu, ale to už je celkom iný príbeh.

Tento článok vám predostrel dva najhlavnejšie dôvody, prečo sa ľudom (oprávnene) zdá, že 4K video vyzerá lepšie aj na Full HD displejoch. Ako vidieť, nejde o žiadnu mágiu.

Zaujímavým dôsledkom týchto faktov je, že ak máte smartfón či iné zariadenie, ktoré natáčanie 4K videí podporuje, je pre vás výhodné takto videá natáčať, aj keď takýto displej nemáte. Ich vyššiu kvalitu totiž oceníte nielen na 4K displeji, ale aj na Full HD displeji, pretože sa prejaví vyšší dátový tok, pri ktorom sa videá zaznamenávajú a takisto zlepšená farebnosť vďaka subsamplingu.

Nuž, ale to všetko akosi samo vyplýva z toho, ako tieto algoritmy pracujú. Snáď vám Džin pomohol v tom, aby ste už mali v týchto záležitostiach o niečo lepší prehľad.