YUV

本文为网上文章摘录

Iain的书中写道：The human visual system (HVS) isless sensitive to colour than to luminance(brightness).人类视觉系统（其实就是人的眼睛）对亮度的感觉比对颜色更加敏感。
   在RGB色彩空间中，三个颜色的重要程度相同，所以需要使用相同的分辨率进行存储，最多使用RGB565这样的形式减少量化的精度，但是3个颜色需要按照相同的分辨率进行存储，数据量还是很大的。所以，利用人眼睛对亮度比对颜色更加敏感，将图像的亮度信息和颜色信息分离，并使用不同的分辨率进行存储，这样可以在对主观感觉影响很小的前提下，更加有效的存储图像数据。
   YCbCr色彩空间和它的变形（有时被称为YUV）是最常用的有效的表示彩色图像的方法。Y是图像的亮度（luminance/luma）分量，使用以下公式计算，为R,G,B分量的加权平均值：
        Y = kr R + kgG + kbB
       其中k是权重因数。
    上面的公式计算出了亮度信息，还有颜色信息，使用色差（colordifference/chrominance或chroma）来表示，其中每个色差分量为R,G,B值和亮度Y的差值：
　　Cb = B － Y
　　Cr = R － Y
        Cg = G －Y
       其中，Cb+Cr+Cg是一个常数（其实是一个关于Y的表达式），所以，只需要其中两个数值结合Y值就能够计算出原来的RGB值。所以，我们仅保存亮度和蓝色、红色的色差值，这就是(Y,Cb,Cr)。
相比RGB色彩空间，YCbCr色彩空间有一个显著的优点。Y的存储可以采用和原来画面一样的分辨率，但是Cb,Cr的存储可以使用更低的分辨率。这样可以占用更少的数据量，并且在图像质量上没有明显的下降。所以，将色彩信息以低于量度信息的分辨率来保存是一个简单有效的图像压缩方法。
在COLOUR SPACES .17 ITU-R recommendation BT.601中，建议在计算Y时，权重选择为
    kr = 0.299,
    kg = 0.587,
    kb = 1 - kr - kg = 0.114。
    于是常用的转换公式如下：
    Y  = 0.299R + 0.587G + 0.114B
    Cb = 0.564(B － Y )
    Cr = 0.713(R － Y )

    R = Y + 1.402Cr
    G = Y - 0.344Cb - 0.714Cr
    B = Y + 1.772Cb
   有了这个公式，我们就能够将一幅RGB画面转换成为YUV画面了，反过来也可以。
   在RGB24格式中，对于宽度为w,高度为h的画面，需要w*h*3个字节来存储其每个像素的rgb信息，画面的像素数据是连续排列的。按照r(0,0),g(0,0),b(0,0);r(0,1),g(0,1),b(0,1);…;r(w-1,0),g(w-1,0),b(w-1,0);…;r(w-1,h-1),g(w-1,h-1),b(w-1,h-1)这样的顺序存放起来。
    在YUV格式中，以YUV420格式为例。宽度为w高度为h的画面，其亮度Y数据需要w*h个字节来表示（每个像素点一个亮度）。而Cb和Cr数据则是画面中4个像素共享一个Cb,Cr值。这样Cb用w*h/4个字节，Cr用w*h/4个字节。
YUV文件中，把多个帧的画面连续存放。就是YUV YUVYUV…..这样的不断连续的形式，而其中每个YUV，就是一幅画面。
   在这单个YUV中，前w*h个字节是Y数据，接着的w*h/4个字节是Cb数据，再接着的w*h/4个字节为Cr数据。
在由这样降低了分辨率的数据还原出RGB数据的时候，就要依据像素的位置找到它对应的Y,Cb,Cr值，其中Y值最好找到，像素位置为x,y的话，Y数据中第y*width+x个数值就是它的Y值。Cb和Cr由于是每2x2像素的画面块拥有一个，这样Cb和Cr数据相当于两个分辨率为w/2*h/2的画面，那么原来画面中的位置为x,y的像素，在这样的低分辨率画面中的位置是x/2,y/2，属于它的Cb,Cr值就在这个地方：(y/2)*(width/2)+(x/2)。

YUV主要的采样格式

主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 、 YCbCr 4:4:4和YCbCr 4:1:1。　　

      4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量，2个色度分量(YYYYCbCr)，仅采样奇数扫描线，是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式；4：2：2表示每4个像素有4个亮度分量，4个色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式；4：4：4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr)，用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品；4:1:1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, 每个点需要 8x3=24bits. 而现在仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bites,平均每个点占12bites。这样就把图像的数据压缩了一半。

（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的色度抽样，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]　　

而YUV有packed format和planar format两种。Packed format和plannerformat的区别在于，packedformat中的YUV是混合在一起的，因此就有了UYVY、YUYV等等，他们在码流中排列的方式有所不同。而对于plannerformat每一个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分量都在Y分量之后出现，而V分量在所有的U分量之后。就像三个大色块一样。