5.YUV格式详解

big男孩
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YUV简介

YUV，是一种颜色编码方法。常使用在各个影像处理元件中。 YUV在对照片或影片编码时，考虑到人类的感知能力，允许降低色度的带宽。

YUV是编译true-color颜色空间（color space）的种类，Y’UV, YUV, YCbCr，YPbPr等专有名词都可以称为YUV，彼此有重叠。

“Y”表示明亮度（Luminance、Luma），“U”和“V”则是色度、浓度（Chrominance、Chroma），Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr所指涉的范围，常有混淆或重叠的情况。

从历史的演变来说，其中YUV和Y’UV通常用来编码电视的模拟信号，而YCbCr则是用来描述数位的影像信号，适合影片与图片压缩以及传输，例如MPEG、JPEG。 但在现今，YUV通常已经在电脑系统上广泛使用。

Y’代表明亮度(luma; brightness)而U与V储存色度(色讯; chrominance; color)部分; 亮度(luminance)记作Y，而Y’的prime符号记作伽玛校正。

YUV Formats分成两个格式：

  • 紧缩格式（packed formats）：将Y、U、V值储存成Macro Pixels阵列，和RGB的存放方式类似。
  • 平面格式（planar formats）：将Y、U、V的三个分量分别存放在不同的矩阵中。

紧缩格式（packed format）中的YUV是混合在一起的，对于YUV4:4:4格式而言，用紧缩格式很合适的，因此就有了UYVY、YUYV等。

平面格式（planar formats）是指每Y分量，U分量和V分量都是以独立的平面组织的，也就是说所有的U分量必须在Y分量后面，而V分量在所有的U分量后面，此一格式适用于采样（subsample）。平面格式（planar format）有I420（4:2:0）、YV12、IYUV等。

YUV组成

YUV，是一种颜色编码方法，跟 RGB 是同一个级别的概念，广泛应用于多媒体领域中。

也就是说，图像中每1个像素的颜色信息，除了可以用RGB的方式表示，也可以用YUV的方式表示。

YUV数据由Y、U、V三个分量组成，现在通常说的YUV指的是YCbCr。

  • Y：表示亮度（Luminance、Luma），占8bit（1字节）
  • Cb、Cr：表示色度（Chrominance、Chroma）
  • Cb（U）：蓝色色度分量，占8bit（1字节）
  • Cr（V）：红色色度分量，占8bit（1字节）

如果使用RGB，比如RGB888（R、G、B每个分量都是8bit），1个像素占用24bit（3字节）

如果使用YUV，1个像素可以减小至平均只占用12bit（1.5字节），体积为RGB888的一半。

EGB 与 YUV之间相互转化

公式1

Y = 0.257R + 0.504G + 0.098B + 16
U = -0.148R - 0.291G + 0.439B + 128
V = 0.439R - 0.368G - 0.071B + 128
 
R = 1.164(Y - 16) + 2.018(U - 128)
G = 1.164(Y - 16) - 0.813(V - 128) - 0.391(U - 128)
B = 1.164(Y - 16) + 1.596(V - 128)

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  • RGB的取值范围是[0,255]
  • Y的取值范围是[16,235]
  • UV的取值范围是[16,239]

公式2

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = 0.564(B - Y) = -0.169R - 0.331G + 0.500B
V = 0.713(R - Y) = 0.500R - 0.419G - 0.081B
 
R = Y + 1.403V
G = Y - 0.344U - 0.714V
B = Y + 1.770U

1234567
  • RGB的取值范围是[0, 1]
  • Y的取值范围是[0, 1]
  • UV的取值范围是[-0.5, 0.5]

公式3

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.169R - 0.331G + 0.500B + 128
V = 0.500R - 0.419G - 0.081B + 128
 
R = Y + 1.403(V - 128)
G = Y - 0.343(U - 128) - 0.714(V - 128)
B = Y + 1.770(U - 128)

1234567
  • RGB的取值范围是[0, 255]
  • YUV的取值范围是[0, 255]

采样格式(色度二次采样)

如果在色度分量上进行（相对亮度分量）较低分辨率的采样，也就是存储较多的亮度细节、较少的色度细节，这样就可以在不明显降低画面质量的同时减小图像的体积。上述过程称为：色度二次采样（Chroma Subsampling）。

人眼对亮度的敏感程度要高于对色度的敏感程度，人眼对于亮度的分辨要比对颜色的分辨精细一些。

如果把图像的色度分量减少一些，人眼也丝毫感觉不到变化和差异。

所以通过对像素点的采样数据的U,V分量进行取舍，就生成了三种采样格式:

比如4:4:4、4:2:2、4:2:0等，其中我们最需要关注的是4:2:0。

用三个图来直观地表示采集的方式吧，以黑点表示采样该像素点的Y分量，以空心圆圈表示采用该像素点的UV分量。

img

先记住下面这段话，以后提取每个像素的YUV分量会用到。

  • YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。
  • YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。
  • YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

存储格式

YUV的存储格式可以分为3大类：

  • Planar（平面） Y、U、V分量分开单独存储,名称通常以字母p结尾
  • Semi-Planar（半平面） Y分量单独存储，U、V分量交错存储,名称通常以字母sp结尾
  • Packed（紧凑） 或者叫Interleaved （交错）,Y、U、V分量交错存储

4:4:4

4:4:4 4:4:4通过UV分量的前后位置又裂变出两种细节格式

Planar

  • I444
	Y Y Y Y
	Y Y Y Y
	U U U U
	U U U U
	V V V V
	V V V V
  • YV24
	Y Y Y Y
	Y Y Y Y
	V V V V
	V V V V
	U U U U
	U U U U

Semi-Planar

  • NV24
	Y Y Y Y
	Y Y Y Y
	U V U V U V U V
	U V U V U V U V
  • NV42
	Y Y Y Y
	Y Y Y Y
	V U V U V U V U
	V U V U V U V U

4:2:2

4:2:2

Planar

  • I422
Y Y Y Y
Y Y Y Y
U U
U U
V V
V V
  • YV16
Y Y Y Y
Y Y Y Y
V V
V V
U U
U U

Semi-Planar

  • NV16
Y Y Y Y
Y Y Y Y
U V U V
U V U V
  • NV61
Y Y Y Y
Y Y Y Y
V U V U
V U V U

Packed

  • UYVY
U Y V Y U Y V Y
U Y V Y U Y V Y
  • YUYV
Y U Y V Y U Y V 
Y U Y V Y U Y V
  • YVYU
Y V Y U Y V Y U
Y V Y U Y V Y U

4:2:0

4:2:0

Planar

  • I420：大多数视频解码器以I420格式输出原始图片
Y Y Y Y
Y Y Y Y
U U
V V

I420

  • YV12
Y Y Y Y
Y Y Y Y
V V
U U

Semi-Planar

  • NV12
Y Y Y Y
Y Y Y Y
U V U V
  • NV21
Y Y Y Y
Y Y Y Y
V U V U

4:2:0

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