RGB and YUV

什么是RGB、YUV

YUV、RGB和YCbCr是色彩空间模型，而我们最常听到的BMP、PNG、JPEG、GIF都是文件存储格式。

RGB就是red green blue三原色，任何颜色都可以通过这三原色按不同比例混合出来。所以应用很广泛。

YUV则是亮度Y(灰度值)、色差信号U和V。我们人眼对色彩的亮度信息会比色差信息敏感，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的。在默认情况下是图像和视频压缩的标准。

YCbCr 其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV 中的Y含义一致,Cb,Cr 同样都指色彩，只是在表示方法上不同而已。YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。JPEG、MPEG均采用此格式。

这三种色彩空间模型都可以通过格式相互转换。

RGB到YUV的转换

RGB到YUV的转换，就是将图像所有像素点的R、G、B分量转换到Y、U、V分量：

YUV和RGB的转换:
      Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B
      U = -0.1687 R - 0.3313 G + 0.5 B + 128
      V = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B + 128

      R = Y + 1.402 (V-128)
      G= Y - 0.34414 (U-128) - 0.71414 (V-128)
      B= Y + 1.772 (U-128)

既然能够转换，为什么还需要YUV和RGB两种色彩模型呢？因为对于图像显示器来说，它是通过RGB模型来显示图像的。而在传输图像数据时是使用YUV模型的，因为YUV模型可以节省带宽。所以就需要采集图像时将RGB模型转换到YUV模型，显示时再将YUV模型转换为RGB模型。

视频采样

从视频采集与处理的角度来说，一般的视频采集芯片输出的码流一般都是YUV数据流的形式，而从视频处理（例如H.264、MPEG视频编解码）的角度来说，也是在原始YUV码流进行编码和解析 ；如果采集的资源是RGB的，也需要转换成YUV。

我们必须根据采样格式从码流中还原每个像素点的YUV值，YUV格式有两大类：planar和packed。对于planar的YUV格式，先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V。对于packed的YUV格式，每个像素点的Y,U,V是连续交叉存储的。

而YUV码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关，主流的采样方式有三种，YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0 。

YUV采样格式

YUV 4:4:4采样

意味着Y、U、V三个分量的采样比例相同，所以在生成的图像里，每个像素的三个分量信息都是8bit。（Y用×表示，UV用○表示）

假如图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

那么采样的码流为：Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 

最后映射出的像素点依旧为 [Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3] 

这种采样方式和RGB颜色模型的图像大小是一样的，并没有达到节省带宽的目的。

YUV 4:2:2采样

UV分量是Y分量的一半，Y分量和UV分量按照2:1的比例采样，如果水平方向有10个像素点，那么采样了10个Y分量，就只采样了5个UV分量。

假如图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

 那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 

 其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 分量，而 U、V 分量就会间隔一个采集一个。

 最后映射出的像素点为 [Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]

通过这个例子就可以发现第一个像素点和第二个像素点共用了[U0、V1]分量，第三个像素点和第四个像素点共用了[U2、V3]分量，这样就节省了图像空间。比如一张1280*720大小的图片，如果按照RGB方式存储，会耗费：

(1280∗720∗8+1280∗720∗8+1280∗720∗8)/8/1024/1024=2.637𝑀𝐵

其中1280*720是表示有多少个像素点。但如果采用了YUV4:2:2采样格式：

（1280∗720∗8+1280∗720∗0.5∗8∗2）/8/1024/1024=1.76𝑀𝐵

节省了1/3的存储空间，适合进行图像传输。

YUV 4:2:0采样

YUV 4:2:0 采样，并不是指只采样 U 分量而不采样 V 分量。而是指，在每一行扫描时，只扫描一种色度分量（U 或者 V），和 Y 分量按照 2 : 1 的方式采样。比如，第一行扫描时，YU 按照 2 : 1 的方式采样，那么第二行扫描时，YV 分量按照 2:1 的方式采样。对于每个色度分量来说，它的水平方向和竖直方向的采样和 Y 分量相比都是 2:1 。

假设图像像素为：
 
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
[Y4 U4 V4]、[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7]
 
那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y4 V4 Y5 Y6 V6 Y7
 
其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 分量，而 U、V 分量就会间隔一行按照 2 : 1 进行采样。
 
最后映射出的像素点为：

[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V5]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V7]

通过YUV 4:2:0采样后的图片大小为：

（1280∗720∗8+1280∗720∗0.25∗8∗2）/8/1024/1024=1.32𝑀𝐵

采样的图像比RGB模型图像节省了一半的存储空间，因此也是比较主流的采样方式。

YUV存储格式

前面简单提到了YUV的存储格式有两种：

planar 平面格式
    指先连续存储所有像素点的 Y 分量，然后存储 U 分量，最后是 V 分量。
packed 打包模式
    指每个像素点的 Y、U、V 分量是连续交替存储的。

根据采样方式和存储格式的不同，就有了多种 YUV 格式。这些格式主要是基于 YUV 4:2:2 和 YUV 4:2:0 采样。

基于YUV 4:2:2采样的格式

YUV 4:2:2 采样规定了 Y 和 UV 分量按照 2: 1 的比例采样，两个 Y 分量公用一组 UV 分量。

YUYV格式

YUYV 格式是采用打包格式进行存储的，指每个像素点都采用 Y 分量，但是每隔一个像素采样它的 UV 分量，排列顺序如下：

Y0 UO Y1 V0  Y2 U2 Y3 V2

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量.

UYVY格式

UYVY 格式也是采用打包格式进行存储，它的顺序和 YUYV 相反，先采用 U 分量再采样 Y 分量，排列顺序如下：

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量。

YUV 422P格式

YUV 422P 格式，又叫做 I422，采用的是平面格式进行存储，先存储所有的 Y 分量，再存储所有的 U 分量，再存储所有的 V 分量

基于