【音视频基础】(十三)：YUV颜色空间之YUV和YCbCr

最新推荐文章于 2025-06-25 19:10:56 发布

houxiaoni01

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分类专栏：音视频基础文章标签： YUV YCbCr

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这篇我们开始讲YUV颜色空间，我们把这几篇文章，前面都带上这几个字，就显示出来了它的重要性，它是理解电视发展史，图像数字化，图像/视频编码的核心，至少我是这么认为的。所以前面分四篇去讲了电视机的来龙去脉，相信看了前四篇，对它也有个初步了解，下面我们就开始正式介绍YUV颜色空间。

YUV主要应用在彩色图像和视频编码层面，为什么这么说呢？前面我们就知道，模拟图像数字化为数字图像时，需经历采样、量化和编码压缩阶段，而YUV就主要应用在编码压缩这个阶段。

那为什么是YUV这种颜色空间，而不是RGB或者其他颜色空间呢？因为YUV颜色空间，更好的将人类感知考虑进去了。比如，人眼对亮度更敏感，黑白亮度单纯依靠亮度，就可以录制播出节目，并且人眼不会对黑白图像产生信息误读。而彩色电视，只是顺势而为的，在黑白图像的基础上，加入了人们心里预估的颜色。所以 “人眼对亮度更敏感” 这点非常重要，在图像和视频编码中，就更深入的应用了这点，而不影响人眼对图像的判断。

YUV能够在除电视系统以外的，其他彩色图像或视频上，大展身手，也源于了它最初就是应用在电视上。后来数字电视诞生，人们利用YUV对图像进行编码，产生了一系列的编码标准，然后这些标准被用在商业上。由摄像器材产生的图像信息，不再只能产生模拟图像，和广播电视，它们被编码为通用的图片格式或视频格式，存储在手机、电脑、存储卡等磁盘上。

虽然我们通常在说YUV，但是和它相关的颜色空间有多个，比如Y’UV、YUV、YCbCr、YPbPr。下面我们分开来说。

1、YUV

这个颜色空间我们应该很熟悉，最初知道它的时候，是在讲彩色模拟电视的时候，它是PAL彩色电视制使用的颜色空间。其中的Y是黑白电视系统使用的Y，而后彩色电视产生，于是在Y的基础上，加上了色差信息U和V，保证了黑白电视的兼容。这里的 UV为什么称为色差，是因为它们分别是蓝和红与Y的差值。也即

U = B - Y        V = R - Y

注意这里的B和R不是RGB里的B和R，只是代表了蓝和红信息，就像CIE XYZ一样，如果你还记得的话。

2、Y’UV

它其实和YUV是同一个概念，只不过Y带了撇，代表了非线性的YUV。我们之前提到过伽玛矫正，这里的非线性就是伽玛校正的结果。

3、YPbPr

这个也是模拟电视中使用的，只需要知道就好，和YUV类似。

4、YCbCr

YCbCr颜色空间是在ITU-R BT.601和ITU-R BT.709中定义的，它们定义了YCbCr为数字电视的颜色空间，并且定义了RGB和YCbCr的具体转换关系。说到这里你可能明白了，我们前面说的图像或视频编码，使用的颜色空间就是它，因为它是使用在数字电视中的颜色空间，并且定义在ITU-R BT.601和ITU-R BT.709中，说明是在图像数字化过程中使用的。而前面几个颜色空间，比如YUV、YPbPr，是模拟电视中使用的，跟数字视频或图像的编码不沾边。

那么现在就有一个问题了，为啥我们文章开头在讲编码时，还使用YUV这一词呢？那是因为，现在我们通常说的YUV，不只是模拟电视里那个YUV了，它在计算机行业，被用来描述使用YCbCr编码的文件格式。所以我们说YUV时，也是在说YCbCr。

哈哈，是不是很魔性，那么接下来，我们就来分析分析YCbCr，主要是来看看，在文档里定义的它和RGB的转换关系，这也是做视频编码的人比较熟悉的数字。

在这里插入图片描述
ITU-R BT.601中定义的YCbCr与RGB的转换

这张图是从维基百科上截的，式中的Y’UV也即YCbCr。一式具体的计算如下：

在这里插入图片描述

式中的系数，就是ITU-R BT.601定义的，因为SDTV较早流行，所以目前在做编码时，通常使用的也就是这个转换关系。在YUV向RGB转换式中，当我们假设U和V同时为0时，也就是色差信号为0，我们可以看到，R、G、B三个值同时等于Y，也就是RGB三值相等。了解RGB相加混色我们知道，这个时候产生的是黑白灰，也即之前的黑白电视。

而式中的U和V，则分别是B和R与亮度之差，再乘以系数得来，但是我们还是称之为色差，YCbCr中的b和r，就分别代表了是B和R与Y的色差。而Cb和Cr，也就相当于U和V。

那么接下来，我们就来看看YCbCr在电视系统中的应用。

在这里插入图片描述
电视系统中颜色空间的转换

这张图，就是电视系统中使用的颜色空间的转换。图中的转换分为两部分，上面从RGB到YCbCr的转换，下面是YCbCr再转换到RGB。之所以需要这两个过程，是因为RGB颜色空间产生的图像信息太过庞大，转换到YCbCr利于编码，而之后又再转回RGB，是因为YCbCr图像信息，从通信通道传输到接收端，也即电视机之后，显示器显示图像信息需要RGB值来驱动。

在图中可以看到，摄像设备拿到三色刺激，也即线性的XYZ或R1G1B1，经过一个3x3的矩阵M得到一个线性的RGB空间。这个过程可以理解为类似下图的转换

在这里插入图片描述
然后使用非线性函数对每个颜色分量进行变换，也即r矫正（伽玛校正）。图中的0.5代表摄像机的r值，2.5代表普通CRT的r值。这个值每个设备通常不一样，比如NTSC里的r指定为2.2，PAL里的r指定为2.8，虽然CRT的r值实际上是2.35。