yuv色彩空间

秒速五厘米 2022-08-02 13:41 262阅读 0赞

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），是PAL和SECAM模拟 [彩色电视][Link 1] [制式][Link 2]采用的 [颜色空间][Link 3]。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色 [CCD][]摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过 [矩阵变换][Link 4]电路得到亮度信号Y和两个 [色差信号][Link 5]B－Y（即U）、R－Y（即V），最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。

## 1优点作用 ##

YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式 [黑白电视][Link 6]。与RGB [视频信号][Link 7]传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V” 表示的则是 [色度][Link 8]（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用Cr和Cb来表示。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白 [灰度图像][Link 9]。 [彩色电视][Link 1]采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与 [黑白电视][Link 6]机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

对于 [数字视频][Link 10]，定义了从 RGB 到两个主要 YUV 的转换。这两个转换都基于称为 ITU-R Recommendation BT.709 的规范。第一个转换是 BT.709 中定义用于 50-Hz 的较早的 YUV 格式。它与在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的关系相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被称为它的旧名称 CCIR 601。这种格式应该被视为用于标准定义 TV分辨率(720 x 576) 和更低分辨率视频的首选 YUV 格式。它的特征由下面两个常量 Kr 和 Kb 的值来定义：

Kr = 0.299Kb = 0.114第二个转换为 BT.709 中定义用于 60-Hz 的较新 YUV 格式，应该被视为用于高于 SDTV 的 [视频分辨率][Link 11]的首选格式。它的特征由下面两个不同的 [常量][Link 12]值来定义：Kr = 0.2126Kb = 0.0722从 RGB 到 YUV 转换的定义以下列内容开始：L = Kr \* R + Kb \* B + (1 – Kr – Kb) \* G然后，按照下列方式获得 YUV 值：

Y = floor(2^(M-8) \* (219\*(L–Z)/S + 16) + 0.5)U = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) \* (112\*(B-L) / ((1-Kb)\*S) + 128) + 0.5))V = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) \* (112\*(R-L) / ((1-Kr)\*S) + 128) + 0.5))其中

M 为每个 YUV 样例的位数 (M >= 8)。

Z 为黑电平变量。对于计算机RGB，Z 等于 0。对于 studio视频RGB，Z 等于 16\*2，其中 N 为每个 RGB

合并图册 (2张)

样例的位数 (N >= 8)。S 为缩放变量。对于计算机RGB，S 等于 255。对于 studio视频RGB，S 等于 219\*2。

函数floor(x) 返回大于或等于 x 的最大整数。函数clip3(x, y, z) 的定义如下所示：

clip3(x, y, z) = ((z < x) ? x : ((z > y) ? y : z))Y 样例表示亮度，U 和 V 样例分别表示偏向蓝色和红色的颜色偏差。Y 的标称范围为 16\*2 到 235\*2 。黑色表示为 16\*2 ，白色表示为 235\*2 。U 和 V 的标称范围为 16\*2 到 240\*2 ，值 128\*2 表示中性色度。但是，实际的值可能不在这些范围之内。

对于 studio 视频 RGB 形式的输入数据，要使得 U 和 V 值保持在 0 到 2M-1 范围之内，必需进行剪辑操作。如果输入为计算机RGB，则不需要剪辑操作，这是因为转换公式不会生成超出此范围的值。

这些都是精确的公式，没有近似值。

在DirectShow中，常见的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常见的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。

## 2采样格式[编辑][Link 13] ##

主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1 比较常用，其含义为：每个点保存一个 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 个点保存一个 Cr 和Cb 值,图像在肉眼中的感觉不会起太大的变化。所以， 原来用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1个点需要 8x3=24 bits（如下图第一个图），（全采样后，YUV仍各占8bit）。按4:1:1采样后，而现在平均仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4个点，8\*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每个点占12bits(如下图第二个图)。这样就把图像的 [数据压缩][Link 14]了一半。

上边仅给出了理论上的示例，在实际数据存储中是有可能是不同的，下面给出几种具体的存储形式：

（1） YUV 4:4:4

YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整（每个分量通常8比特），经过8比特量化之后，未经压缩的每个像素占用3个字节。

下面的四个像素为: \[Y0 U0 V0\] \[Y1 U1 V1\] \[Y2 U2 V2\] \[Y3 U3 V3\]

存放的码流为: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

（2） YUV 4:2:2

每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的 [色度抽样][Link 15]率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说，每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。

下面的四个像素为：\[Y0 U0 V0\] \[Y1 U1 V1\] \[Y2 U2 V2\] \[Y3 U3 V3\]

存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

映射出像素点为：\[Y0 U0 V1\] \[Y1 U0 V1\] \[Y2 U2 V3\] \[Y3 U2 V3\]

（3） YUV 4:1:1

4:1:1的 [色度抽样][Link 15]，是在水平方向上对色度进行4:1抽样。对于低端用户和消费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

下面的四个像素为: \[Y0 U0 V0\] \[Y1 U1 V1\] \[Y2 U2 V2\] \[Y3 U3 V3\]

存放的码流为: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

映射出像素点为：\[Y0 U0 V2\] \[Y1 U0 V2\] \[Y2 U0 V2\] \[Y3 U0 V2\]

（4）YUV4:2:0

4:2:0并不意味着只有Y，Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说，只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4:2:0的话，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此类推。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1，所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

下面八个像素为：\[Y0 U0 V0\] \[Y1 U1 V1\] \[Y2 U2 V2\] \[Y3 U3 V3\]

\[Y5 U5 V5\] \[Y6 U6 V6\] \[Y7U7 V7\] \[Y8 U8 V8\]

存放的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3

Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8

映射出的像素点为：\[Y0 U0 V5\] \[Y1 U0 V5\] \[Y2 U2 V7\] \[Y3 U2 V7\]

\[Y5 U0 V5\] \[Y6 U0 V5\] \[Y7U2 V7\] \[Y8 U2 V7\]

## 3格式（图）    ##

YUV格式通常有两大类：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者将YUV分量存放在同一个 [数组][Link 16]中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素（macro-pixel）；而后者使用三个数组分开存放YUV三个分量，就像是一个三维平面一样。表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介绍各种具体格式时，YUV各分量都会带有下标，如Y0、U0、V0表示第一个像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二个像素的YUV分量，以此类推。）

¨ YUY2（和YUYV）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每两个像素采样一次。一个宏像素为4个字节，实际表示2个像素。（4:2:2的意思实际上是一个宏像素中有2个Y分量、1个U分量和1个V分量。）图像数据中YUV分量排列顺序如下：

Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …

¨ YVYU格式跟YUY2类似，只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同：

Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …

¨ UYVY格式跟YUY2类似，只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同：

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …

¨ AYUV格式带有一个Alpha通道，并且为每个像素都提取YUV分量，图像数据格式如下：

A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …

¨ Y41P（和Y411）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。一个宏像素为12个字节，实际表示8个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：

U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y8 …

¨ Y211格式在水平方向上Y分量每2个像素采样一次，而UV分量每4个像素采样一次。一个宏像素为4个字节，实际表示4个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：

Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …

¨ YVU9格式为每个像素都提取Y分量，而在UV分量的提取时，首先将图像分成若干个4 x 4的宏块，然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。图像数据存储时，首先是整幅图像的Y分量 [数组][Link 16]，然后就跟着U分量数组，以及V分量数组。IF09格式与YVU9类似。

¨ IYUV格式为每个像素都提取Y分量，而在UV分量的提取时，首先将图像分成若干个2 x 2的宏块，然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。YV12格式与IYUV类似。

¨ YUV411、YUV420格式多见于DV数据中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411为每个像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。YUV420并非V分量采样为0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采样频率，在垂直方向上以U/V间隔的方式减小一半色差采样，如上图所示。

## 4转换方法： ##

YUV与RGB的转换公式：

[![d8f9d72a6059252d07ad5468369b033b5bb5b920.jpg][]][d8f9d72a6059252d07ad5468369b033b5bb5b920.jpg 1]

U和V元件可以被表示成原始的R、G，和B:

[![a044ad345982b2b7212d70a833adcbef76099b28.jpg][]][a044ad345982b2b7212d70a833adcbef76099b28.jpg 1]

取而代之，以矩阵表示法（matrix representation），可得到公式：

[Link 1]: http://baike.baidu.com/view/103469.htm
[Link 2]: http://baike.baidu.com/view/735528.htm
[Link 3]: http://baike.baidu.com/view/3427413.htm
[CCD]: http://baike.baidu.com/view/18579.htm
[Link 4]: http://baike.baidu.com/view/2633652.htm
[Link 5]: http://baike.baidu.com/view/2603535.htm
[Link 6]: http://baike.baidu.com/view/3639712.htm
[Link 7]: http://baike.baidu.com/view/76422.htm
[Link 8]: http://baike.baidu.com/view/495165.htm
[Link 9]: http://baike.baidu.com/view/1549178.htm
[Link 10]: http://baike.baidu.com/view/257435.htm
[Link 11]: http://baike.baidu.com/view/404435.htm
[Link 12]: http://baike.baidu.com/view/346799.htm
[Link 13]: http://baike.baidu.com/link?url=ORLPgz6hKuiS1Y8C6tq9sGk3uP6r0Nx0P7SGm39vmNkkEjkNkbY0DopILtN4EksIRB_n6WVsvUYRsmwdYNd36a#
[Link 14]: http://baike.baidu.com/view/286827.htm
[Link 15]: http://baike.baidu.com/view/411182.htm
[Link 16]: http://baike.baidu.com/view/209670.htm
[d8f9d72a6059252d07ad5468369b033b5bb5b920.jpg]: /images/20220731/50216a205c6949caaea7eaa7b1502751.png
[d8f9d72a6059252d07ad5468369b033b5bb5b920.jpg 1]: http://baike.baidu.com/picture/189685/189685/0/d8f9d72a6059252d07ad5468369b033b5bb5b920.html?fr=lemma&ct=single
[a044ad345982b2b7212d70a833adcbef76099b28.jpg]: /images/20220731/4b96951fd2a14fe0ad7798dda0019c7f.png
[a044ad345982b2b7212d70a833adcbef76099b28.jpg 1]: http://baike.baidu.com/picture/189685/189685/0/a044ad345982b2b7212d70a833adcbef76099b28.html?fr=lemma&ct=single