详解 YUV 格式(I420/YUV420/NV12/NV12/YUV422)

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详解 YUV 格式(I420/YUV420/NV12/NV12/YUV422)

YUVY'CbCr)是一种像素格式,常见于视频编码与静态图像。与 RGB 格式(红-绿-蓝)相反,YUV 分别由一个称为 Y(相当于灰度)的“亮度”分量(Luminance or Luma)和两个称为 U(蓝色投影 Cb)和 V(红色投影 Cr)的“色度”分量(Chrominance or Chroma)表示,由此得名。

仅有 Y 分量而没有 UV 分量信息,一样可以显示完整的黑白(灰度)图像,解决了模拟信号电视黑白与彩色的兼容问题。

采样

色度通道(UV)的采样率可以低于亮度通道(Y),而不会显着降低感知质量。一种称为 “A:B:C” 的表示法用于描述相对于 Y 采样, U 和 V 的频率:

  • 4:4:4 表示不降低色度(UV)通道的采样率。每个 Y 分量对应一组 UV 分量。
  • 4:2:2 表示 2:1 水平下采样,没有垂直下采样。每两个 Y 分量共享一组 UV 分量。
  • 4:2:0 表示 2:1 水平下采样,同时 2:1 垂直下采样。每四个 Y 分量共享一组 UV 分量。
  • 4:1:1 表示 4:1 水平下采样,没有垂直下采样。每四个 Y 分量共享一组 UV 分量。4:1:1 采样比其他格式少见,本文不再详细讨论。

下图显示了如何针对每个下采样率采样色度。亮度样本用十字表示,色度样本用圆圈表示。

YUV Sampling

存储格式

YUV 在存储上通常分为平面格式(Planar),半平面格式(Semi-Planar)以及打包格式(Packed)。

Planar 平面格式

平面格式有时也称为三面格式(Triplanar),即 Y, U, V 三个分量各自使用单独的数组保存,这种三平面分离的格式比较方便视频编码。

YU12 (I420)

  • 4:2:0 Formats, 12 Bits per Pixel, 3 Planars

FOURCC I420

YU12I420,也叫 IYUV,属于 YUV420P 格式。三个平面,分别存储 Y U V 分量。每四个 Y 分量共享一组 UV 分量。U、V 平面的 strides, width 和 height 都是 Y 平面的一半,因此一个像素 12 bits,内存排列如下图所示:

YU12 Format

从图中可看出,U、V 平面的每行字节数(strides)、高(height)都是 Y 平面的一半。

I420 是音视频开发中常用的一种格式。

YV12

  • 4:2:0 Formats, 12 Bits per Pixel, 3 Planars

FOURCC YV12

YV12I420 几乎一样,仅改变了 U, V 平面的顺序。内存排列如下图所示:

YU12 Format

J420

  • 4:2:0 Formats, 12 Bits per Pixel, 3 Planars

J420I420 完全相同,但具有完整范围(0-255,full range)的亮度(Y)分量,而不是有限范围(16-240,limited range,在 iOS 上也叫做 video range)。色度(UV)分量与 I420 中的完全相同。

IMC1

  • 4:2:0 Formats, 16 Bits per Pixel, 3 Planars

FOURCC IMC1

IMC1I420 类似,U, V 平面的宽(width)、高(height)是 Y 平面的一半,但是每行字节数(strides)与 Y 平面一致,因此 U, V 平面在内存上会有留空(padding),因此一个像素 16 bits,如图所示:

IMC1 Format

IMC3

  • 4:2:0 Formats, 16 Bits per Pixel, 3 Planars

IMC3IMC1 几乎一样,仅改变了 U, V 平面的顺序。内存排列如下图所示:

IMC3 Format

I422

  • 4:2:2 Formats, 16 Bits per Pixel, 3 Planars

I422 属于 YUV422P 格式。三个平面,分别存储 Y U V 分量。每两个 Y 分量共享一组 UV 分量。U、V 平面的 strides, width 是 Y 平面的一半,但 height 与 Y 平面一致,因此一个像素 16 bits,内存排列如下图所示:

YUV422P

从图中可看出,U、V 平面的每行字节数(strides)是 Y 平面的一半,高(height)与 Y 平面一致。

J422

  • 4:2:2 Formats, 16 Bits per Pixel, 3 Planars

J422I422 完全相同,但具有完整范围(0-255,full range)的亮度(Y)分量,而不是有限范围(16-240,limited range,在 iOS 上也叫做 video range)。色度(UV)分量与 I420 中的完全相同。

Semi-Planar 半平面格式

半平面格式具有两个平面而不是三个平面,一个平面存储亮度(Y)分量,另一个平面存储两个色度(UV)分量。有时也将它们称为双平面格式(BiPlanar)。

NV12

  • 4:2:0 Formats, 12 Bits per Pixel, 2 Planars

FOURCC NV12

NV12 属于 YUV420SP 格式。两个平面,分别存储 Y 分量 和 UV 分量。其中 UV 分量共用一个平面并且以 U, V, U, V 的顺序交错排列。每四个 Y 分量共享一组 UV 分量。

UV 平面的 strides, width 与 Y 平面一样长,但 height 仅为 Y 平面的一半。因此一个像素 12 bits,内存排列如下图所示:

NV12 Format

从图中可看出,UV 平面的每行字节数(strides)与 Y 平面一致,高(height)是 Y 平面的一半。

NV12 是 iOS 相机(AVCaptureOutput)可直接输出的两种视频帧格式之一,另外一种是 BGRA32(kCVPixelFormatType_32BGRA)。

在 iOS 上,NV12 还分为 Full Range (0-255, kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarFullRange) 和 Video Range (16-240, kCVPixelFormatType_420YpCbCr8BiPlanarVideoRange),区别仅为亮度(Y)分量的取值范围,一般而言,Full Range 适用于静态图像(拍照),Video Range 适用于视频采集(摄像)。

NV21

  • 4:2:0 Formats, 12 Bits per Pixel, 2 Planars

FOURCC NV21

NV21 属于 YUV420SP,与 NV12 几乎一致,区别是 UV 平面中 U 与 V 的排列顺序颠倒,以 V, U, V, U 的顺序交错排列,内存排列如图所示:

NV21 Format

NV21 是 Android 相机(Camera)默认的输出格式。

Packed 打包格式

打包格式通常只有一个平面,所有亮度(Y)和色度(UV)数据都交织在一起。有点类似于 RGB 格式,只是使用了不同的色彩空间。

打包格式在网络摄像头中较为常见。硬件设备使用多平面格式效率较低,因为每个像素需要多次内存访问。而打包格式由于仅一个平面,访问内存的开销较小。

AYUV

  • 4:4:4 Formats, 32 Bits per Pixel

FOURCC AYUV

AYUV 是 Packed 打包格式,其中每个像素编码为四个连续字节,每个像素在内存中按照 V, U, Y, A 的顺序排列(A 指 alpha 通道),如下图所示:

AYUV Format

YUYV (V422 / YUY2 / YUNV)

  • 4:2:2 Formats, 16 Bits per Pixel

FOURCC YUY2

YUYV 通常也称作 V422YUY2YUNV

YUY2 是 Packed 打包格式,其中两个像素共用一组 UV 分量,内存中按照 Y U Y V 的顺序排列,如下图所示:

YUYV Format

UYVY (Y422 / UYNV)

  • 4:2:2 Formats, 16 Bits per Pixel

FOURCC UYVY

UYVY 通常也称作 Y422UYNV

UYVYYUYV 类似,只是亮度(Y)分量与色度(UV)分量排列顺序颠倒,如下图所示:

UYVY Format

参考资料

  1. Microsoft: Recommended 8-Bit YUV Formats for Video Rendering

  2. VideoLAN's Wiki: YUV

  3. FOURCC: YUV pixel formats

  4. WWDC2011: Capturing from the Camera using AV Foundation on iOS 5

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iOS
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