YUV

最新推荐文章于 2021-05-20 20:04:51 发布

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本文深入探讨了YUV颜色编码的概念及其在不同应用中的使用情况，包括YUV格式的分类、转换公式和常见采样率。重点介绍了如何将YUV格式转换为RGB格式，并详细解释了YUV格式在不同场景下的优势与应用。

YUV，是一种颜色编码方法。

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常常有些混用的情况，其中YUV和Y'UV通常用来描述模拟信号，而相反的YCbCr与YPbPr则是用来描述数位的影像信号，例如在一些压缩格式内MPEG、JPEG中，但在现今，YUV通常已经在电脑系统上广泛使用。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份量，U份量和V份量都是以独立的平面组织的，也就是说所有的U份量必须在Y分量后面，而V份量在所有的U份量后面，此一格式适用于采样（subsample）。平面格式（planar format）有I420（4:2:0）、YV12、IYUV等；

大多数YUV格式平均使用的每像素位数都少于24位元。主要的抽样（subsample）格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和YCbCr 4:4:4。YUV的表示法称为A:B:C表示法：

4:4:4表示完全取样。
4:2:2表示2:1的水平取样，垂直完全采样。
4:2:0表示2:1的水平取样，垂直2：1采样。
4:1:1表示4:1的水平取样，垂直完全采样。

YUV与RGB的转换公式：

$\begin{array}{rll}Y &= 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B \\U &= 0.436 * (B - Y) / (1 - 0.114) + 128 \\V &= 0.615 * (R - Y) / (1 - 0.299) + 128\end{array}$

U和V元件可以被表示成原始的R、G，和B:

$\begin{array}{rll}Y &= 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B \\U &= -0.169 * R - 0.331 * G + 0.5 * B + 128 \\V &= 0.5 * R - 0.419 * G - 0.081 * B + 128\end{array}$

如一般顺序，转移元件的范围可得到：

$\begin{array}{rll}Y & \in \left[0, 255\right] \\U & \in \left[0, 255\right] \\V & \in \left[0, 255\right]\end{array}$

在逆转关系上，从YUV到RGB，可得

$\begin{array}{rll}R & = Y + 1.13983 * (V - 128) \\G & = Y - 0.39465 * (U - 128) - 0.58060 * (V - 128) \\B & = Y + 2.03211 * (U - 128)\end{array}$

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

$\begin{bmatrix} Y \\ U \\ V \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} 0.299 & 0.587 & 0.114 \\ -0.169 & -0.331 & 0.5 \\ 0.5 & -0.419 & -0.081 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix} +\begin{bmatrix} 0 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}$

$\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}=\begin{bmatrix} 1 & -0.00093 & 1.401687 \\ 1 & -0.3437 & -0.71417 \\ 1 & 1.77216 & 0.00099 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} Y \\ U - 128 \\ V - 128 \end{bmatrix}$

YUV转RGB[编辑]

function RGB* YUV444toRGB888(Y, U, V)；将YUV format移转成简单的RGB format并可以用浮点运算实作：

Y'UV444[编辑]

大多数YUV格式平均使用的每像素位数都少于24位元。YUV444是最逼真的格式，一格不删（24 bits），即每4个Y，配上4个U，还有4个V；YUV422则是在UV格式上减半，即每4个Y，配2个U，2个V；YUV420则是在UV上减至1/4之格式，即每4个Y，配1个U，再配1个V。

这些公式是基于NTSC standard;

Y' = 0.299 \times R + 0.587 \times G + 0.114 \times B

U = -0.147 \times R - 0.289 \times G + 0.436 \times B

V = 0.615 \times R - 0.515 \times G - 0.100 \times B

在早期的非SIMD（non-SIMD）构造中，floating point arithmetic会比fixed-point arithmetic稍慢，所以有一替代公式如下：

C = Y' - 16

D = U - 128

E = V - 128

使用前面的系数并且用clip()注明切割的值域是0至255，如下的公式是从Y'UV到RGB (NTSC version):

R = clip(( 298 \times C + 409 \times E + 128) >> 8)

G = clip(( 298 \times C - 100 \times D - 208 \times E + 128) >> 8)

B = clip(( 298 \times C + 516 \times D + 128) >> 8)

注意：上述的公式多暗示为YCbCr. 虽然称为YUV，但应该严格区分YUV和YCbCr这两个专有名词有时并非完全相同。

ITU-R版本的公式差异：

Y = 0.299 \times R + 0.587 \times G + 0.114 \times B + 0

Cb = -0.169 \times R - 0.331 \times G + 0.499 \times B + 128

Cr = 0.499 \times R - 0.418 \times G - 0.0813 \times B + 128

R = clip(Y + 1.402 \times (Cr - 128))

G = clip(Y - 0.344 \times (Cb - 128) - 0.714 \times (Cr - 128))

B = clip(Y + 1.772 \times (Cb - 128))

ITU-R标准YCbCr（每一通道8位元）至RGB888:

Cr = Cr - 128; Cb = Cb - 128;

R = Y + Cr + Cr>>2 + Cr>>3 + Cr>>5

G = Y - (Cb>>2 + Cb>>4 + Cb>>5) - (Cr>>1 + Cr>>3 + Cr>>4 + Cr>>5)

B = Y + Cb + Cb>>1 + Cb>>2 + Cb>>6

Y'UV422[编辑]

Input：读取Y'UV的4bytes（u, y1, v, y2）

Output：写入RGB的6bytes（R, G, B, R, G, B）

u = yuv[0];
y1 = yuv[1];
v = yuv[2];
y2 = yuv[3];

以此一资讯可以剖析出regular Y'UV444格式而成为2 RGB pixels info:

rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);
rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v);

Y'UV422可被表达成Y'UY'2 FourCC格式码。意思是2 pixels将被定义成each macropixel (four bytes) treated in the image.

Y'UV411[编辑]

// Extract YUV components
u = yuv[0];
y1 = yuv[1];
y2 = yuv[2];
v = yuv[3];
y3 = yuv[4];
y4 = yuv[5];

rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);
rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v);
rgb3 = Y'UV444toRGB888(y3, u, v);
rgb4 = Y'UV444toRGB888(y4, u, v);

所以结果会得到4 RGB像素的值 (4*3 bytes) from 6 bytes. This means reducing size of transferred data to half and with quite good loss of quality.

YV12[编辑]

The Y'V12的格式相当类似Y'UV420p，但U与V资料反转：Y'跟随着V, U殿后。Y'UV420p与Y'V12使用相同算法。许多重要的编码器都采用YV12空间存储视频：MPEG-4（x264，XviD，DivX），DVD-Video存储格式MPEG-2，MPEG-1以及MJPEG。

将Y'UV420p转换成RGB

Height = 16;
Width = 16;
Y'ArraySize = Height × Width;    //（256）
Y' = Array[7 × Width + 5];
U = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize];
V = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize + Y'ArraySize/4];