YUV to RGB

Snail_YC
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作者 / Snail_YC

原文链接: juejin.cn/post/684490…

YUV

YUV 是一种颜色编码方法，Y 代表明亮度，U 和 V 则是色度。YUV 是一类颜色编码方法的统称，如 YUV、Y`UV、YCbCr、YPbPr 等专有名词都可以称为 YUV。

历史

Y'UV 的发明是由于黑白电视到彩色电视的过渡时期。黑白视频只有 Y 数据，也就是灰阶值，到了彩色电视时期，增加了 UV 表示图像的色度（U 代表蓝色通道与亮度的差值，V 代表红色通道与亮度的差值），如果忽略了 UV，那么剩下的 Y 信号就与之前的黑白电视表现一致，这样便解决了黑白电视和彩色电视的兼容问题。

RGB 诉求于人眼对色彩的感应，YUV 则着重于视觉对于亮度的敏感程度。因此 YUV 可以通过降低色度的采样率来减少带宽而不会对图像产生大的影响。

YUV Formats

YUV 格式通常有两类：

  • packed formats：打包格式，每个像素点的 Y、U、V 混合在一起存放，类似 RGB 的存放方式。
  • planar formats：平面格式，将一帧图像的 Y、U、V 以独立的平面组织，存放在不同的数组中。

根据不同的采样方式分为 YUV4:4:4、YUV4:2:2、YUV4:2:0、YUV4:1:1 等，代表 Y:U:V。

  • YUV4:4:4 表示完整采样，保持了 UV 分量的完整信息。
  • YUV4:2:2 表示色度分量具有 2:1的水平采样，垂直完全采样。
  • YUV4:2:0 表示色度分量具有 2:1的水平采样，2:1的垂直采样，YUV4:2:0 并不是指只有 U，没有 V，而是对于每一行，只有一个 U 或者 V 分量，如果第一行是 4:2:0，那么下一行就是 4:0:2，以此类推。
  • YUV4:1:1 表示色度分量具有 4:1的水平采样，垂直完全采样。

常见的 YUV 存储方式

YUV420P: I420/YU12/YV12

YUV420P 属于 YUV4:2:0 采样，是一种 Plane 模式，将 Y、U、V 分量分别打包，依次存储。YU12 与 I420 相同，而 YV12 与 YU12 的区别仅仅是 UV 顺序不同。

在 I420/YU12 格式中，是以 Y平面-> U 平面-> V 平面的方式排列的，即 YUV；YV12 则相反，以 Y平面-> V 平面-> U 平面的方式排列，即 YVU。

排列举例：

  • I420/YU12：
    • 2*2图像 YYYYUV
    • 4*4图像 YYYYYYYYYYYYYYYYUUUUVVVV
  • YV12：
    • 2*2图像 YYYYVU
    • 4*4图像 YYYYYYYYYYYYYYYYVVVVUUUU

YU12 取名代表 Y 后面紧跟 U，YV12 则相反，12 代表它位深 12，在 2*2 图像中，一共四个像素点，占用 6 个字节，则每个像素占用空间 12 bit。

YUV420SP: NV12/NV21

YUV420P 属于 YUV4:2:0 采样，是一种 Two-Plane 模式，即 Y 和 UV 分为两个平面，UV 为交错存储。NV12 和 NV21 类似，区别仅是 UV 顺序不同。

在 NV12 格式中，是以 Y平面-> UV平面（以 UV 的方式交错存储）；NV21 则相反，以 Y平面-> UV平面（以 VU 的方式交错存储）。

排列举例：

  • NV12：
    • 2*2图像 YYYYUV
    • 4*4图像 YYYYYYYYYYYYYYYYUVUVUVUV
  • NV21：
    • 2*2图像 YYYYVU
    • 4*4图像 YYYYYYYYYYYYYYYYVUVUVUVU

YUV 和 RGB 的转换

首先说下 YCbCr，YCbCr 是被 ITU 定义在标准 ITU-R BT.601（标清）、ITU-R BT.709（高清）、ITU-R BT.2020（超高清）中的一种色彩空间， 是一种针对 RGB 所做的编码，是 YUV 压缩和偏移的版本，YCbCr 通常用于视频和图像压缩和传输，在视频编解码中的"YUV 图像"指的就是 YCbCr。

对于 YCbCr 和 RGB 的转换来说，不同的标准有不同的方式，并且有时候需要区分 Video Range[16-235] 和 Full Range[0-255]。

为方便计算机运算和优化，下列提供定点化后的公式，默认使用 ITU-R BT.601 Video Range。

ITU-R BT.601 标准：

  • RGB 转 YCbCr (Video Range):
[YCbCr]=[16128128]+[0.2570.5040.098−0.148−0.2910.4390.439−0.368−0.071]∗[RGB]\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 16 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.257 & 0.504 & 0.098 \\ -0.148 & -0.291 & 0.439 \\ 0.439 & -0.368 & -0.071 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定点化后：

Y=16+((66∗R+129∗G+25∗B+128)>>8)Cb=128+((−38∗R−74∗G+112∗B+128)>>8)Cr=128+((112∗R−94∗G−18∗B+128)>>8)\begin{aligned} Y =& 16 + ((66 * R + 129 * G + 25 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-38 * R - 74 * G + 112 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((112 * R - 94 * G - 18 * B + 128)>>8) \end{aligned}
  • YCbCr 转 RGB (Video Range):
[RGB]=[1.1640.0001.5961.164−0.392−0.8131.1642.0170.000]∗[(Y−16)(Cb−128)(Cr−128)]\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.164 & 0.000 & 1.596 \\ 1.164 & -0.392 & -0.813 \\ 1.164 & 2.017 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} (Y-16) \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定点化后：

限制范围[0，255]R=(298∗(Y−16)+409∗(Cr−128)+128)>>8G=(298∗(Y−16)−100∗(Cb−128)−208∗(Cr−128)+128)>>8B=(298∗(Y−16)+516∗(Cb−128)+128)>>8\begin{aligned} &限制范围[0，255] \\ &R = (298 * (Y - 16) + 409 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (298 * (Y - 16) - 100 * (Cb -128) - 208 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (298 * (Y - 16) + 516 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{aligned}
  • RGB 转 YCbCr (Full Range):
[YCbCr]=[0128128]+[0.2990.5870.114−0.169−0.3310.5000.500−0.419−0.0813]∗[RGB]\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 0 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.299 & 0.587 & 0.114 \\ -0.169 & -0.331 & 0.500 \\ 0.500 & -0.419 & -0.0813 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定点化后：

Y=((77∗R+150∗G+29∗B+128)>>8)Cb=128+((−43∗R−85∗G+128∗B+128)>>8)Cr=128+((128∗R−107∗G−21∗B+128)>>8)\begin{aligned} Y =& ((77 * R + 150 * G + 29 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-43 * R - 85 * G + 128 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((128 * R - 107 * G - 21 * B + 128)>>8) \end{aligned}
  • YCbCr 转 RGB (Full Range):
[RGB]=[1.0000.0001.4021.000−0.3440.7141.0001.7720.000]∗[Y(Cb−128)(Cr−128)]\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.000 & 0.000 & 1.402 \\ 1.000 & -0.344 & 0.714 \\ 1.000 & 1.772 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} Y \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定点化后：

限制范围[0，255]R=(Y+359∗(Cr−128)+128)>>8G=(Y−88∗(Cb−128)+183∗(Cr−128)+128)>>8B=(Y+454∗(Cb−128)+128)>>8\begin{aligned} &限制范围[0，255] \\ &R = (Y + 359 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (Y - 88 * (Cb -128) + 183 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (Y + 454 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{aligned}

ITU-R BT.709 标准：

  • RGB 转 YCbCr (Video Range):
[YCbCr]=[16128128]+[0.1830.6140.062−0.101−0.3390.4390.439−0.399−0.040]∗[RGB]\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 16 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.183 & 0.614 & 0.062 \\ -0.101 & -0.339 & 0.439 \\ 0.439 & -0.399 & -0.040 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定点化后：

Y=16+((47∗R+157∗G+16∗B+128)>>8)Cb=128+((−26∗R−87∗G+112∗B+128)>>8)Cr=128+((112∗R−102∗G−10∗B+128)>>8)\begin{aligned} Y =& 16 + ((47 * R + 157 * G + 16 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-26 * R - 87 * G + 112 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((112 * R - 102 * G - 10 * B + 128)>>8) \end{aligned}
  • YCbCr 转 RGB (Video Range):
[RGB]=[1.1640.0001.7931.164−0.213−0.5341.1642.1120.000]∗[(Y−16)(Cb−128)(Cr−128)]\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.164 & 0.000 & 1.793 \\ 1.164 & -0.213 & -0.534 \\ 1.164 & 2.112 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} (Y-16) \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定点化后：

限制范围[0，255]R=(298∗(Y−16)+459∗(Cr−128)+128)>>8G=(298∗(Y−16)−55∗(Cb−128)−137∗(Cr−128)+128)>>8B=(298∗(Y−16)+541∗(Cb−128)+128)>>8\begin{aligned} &限制范围[0，255] \\ &R = (298 * (Y - 16) + 459 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (298 * (Y - 16) - 55 * (Cb -128) - 137 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (298 * (Y - 16) + 541 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{aligned}
  • RGB 转 YCbCr (Full Range):
[YCbCr]=[0128128]+[0.2130.7150.072−0.117−0.3940.5110.511−0.464−0.047]∗[RGB]\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 0 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.213 & 0.715 & 0.072 \\ -0.117 & -0.394 & 0.511 \\ 0.511 & -0.464 & -0.047 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定点化后：

Y=((55∗R+183∗G+19∗B+128)>>8)Cb=128+((−30∗R−101∗G+130∗B+128)>>8)Cr=128+((130∗R−119∗G−12∗B+128)>>8)\begin{aligned} Y =& ((55 * R + 183 * G + 19 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-30 * R - 101 * G + 130 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((130 * R - 119 * G - 12 * B + 128)>>8) \end{aligned}
  • YCbCr 转 RGB (Full Range):
[RGB]=[1.0000.0001.5401.000−0.183−0.4591.0001.8160.000]∗[Y(Cb−128)(Cr−128)]\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.000 & 0.000 & 1.540 \\ 1.000 & -0.183 & -0.459 \\ 1.000 & 1.816 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} Y \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定点化后：

限制范围[0，255]R=(Y+394∗(Cr−128)+128)>>8G=(Y−47∗(Cb−128)−118∗(Cr−128)+128)>>8B=(Y+465∗(Cb−128)+128)>>8\begin{aligned} &限制范围[0，255] \\ &R = (Y + 394 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (Y - 47 * (Cb -128) - 118 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (Y + 465 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{aligned}

参考

en.wikipedia.org/wiki/YUV

en.wikipedia.org/wiki/YCbCr

zhuanlan.zhihu.com/p/28766366

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