YUV色彩模型解析-优快云博客

先区分一下YUV和YCbCr

YUV色彩模型来源于RGB模型，

该模型的特点是将亮度和色度分离开，从而适合于图像处理领域。

应用：模拟领域

Y'= 0.299*R' + 0.587*G' + 0.114*B'

U'= -0.147*R' - 0.289*G' + 0.436*B' =0.492*(B'- Y')

V'= 0.615*R' - 0.515*G' - 0.100*B' =0.877*(R'- Y')

R' = Y' + 1.140*V'

G' = Y' - 0.394*U' - 0.581*V'

B' = Y' + 2.032*U'

YCbCr模型来源于YUV模型。YCbCr是 YUV 颜色空间的偏移版本.

应用：数字视频，ITU-R BT.601建议

Y’ = 0.257*R' + 0.504*G' + 0.098*B' + 16

Cb' = -0.148*R' - 0.291*G' + 0.439*B' + 128

Cr' = 0.439*R' - 0.368*G' - 0.071*B' + 128

R' = 1.164*(Y’-16) + 1.596*(Cr'-128)

G' = 1.164*(Y’-16) - 0.813*(Cr'-128) -0.392*(Cb'-128)

B' = 1.164*(Y’-16) + 2.017*(Cb'-128)

PS: 上面各个符号都带了一撇，表示该符号在原值基础上进行了伽马校正,伽马校正有助于弥补在抗锯齿的过程中，线性分配伽马值所带来的细节损失，使图像细节更加丰富。在没有采用伽马校正的情况下，暗部细节不容易显现出来，而采用了这一图像增强技术以后，图像的层次更加明晰了。

所以说H264里面的YUV应属于YCbCr

下面在仔细谈谈YUV格式, 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。

我们常说得YUV420属于planar格式的YUV, 颜色比例如下:

Y0U0V0 Y1 Y2U2V2 Y3

Y4 Y5 Y6 Y7

Y8U8V8 Y9 Y10U10V10 Y11

Y12 Y13 Y14 Y15

在常见H264测试的YUV序列中,例如CIF图像大小的YUV序列(352*288),在文件开始并没有文件头,直接就是YUV数据,先存第一帧的Y信息,长度为352*288个byte, 然后是第一帧U信息长度是352*288/4个byte, 最后是第一帧的V信息,长度是352*288/4个byte, 因此可以算出第一帧数据总长度是352*288*1.5,即152064个byte, 如果这个序列是300帧的话, 那么序列总长度即为152064*300=44550KB,这也就是为什么常见的300帧CIF序列总是44M的原因.

在摄像头之类编程经常是会碰到YUV格式,而非大家比较熟悉的RGB格式. 我们可以把YUV看成是一个RGB的变种来理解.

YUV的原理是把亮度与色度分离，研究证明,人眼对亮度的敏感超过色度。利用这个原理，可以把色度信息减少一点，人眼也无法查觉这一点。

YUV三个字母中，其中"Y"表示明亮度（Lumina nce或Luma），也就是灰阶值；而"U"和"V"表示的则是色度（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。用这个三个字母好象就是通道命令。

使用YUV的优点有两个:

一.彩色YUV图像转黑白YUV图像转换非常简单，这一特性用在于电视信号上。

二.YUV是数据总尺寸小于RGB格式

关于描述YUV格式，写得比较好是这一篇文件

<<Video Rendering with 8-Bit YUVFormats>>

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa904813(VS.80).aspx

一.YUV格式与RGB格式的换算

关于YUV与RGB转换

可以参见 http://www.fourcc.org/fccyvrgb.php

以下是标准公式

1. RGB 转换成 YUV

3. Y = (0.257 * R) +(0.504 * G) + (0.098 * B) + 16

5. Cr = V = (0.439 * R) -(0.368 * G) - (0.071 * B) + 128

7. Cb = U = -( 0.148 * R)- (0.291 * G) + (0.439 * B) + 128

9. YUV 转换成 RGB

10.

11. B = 1.164(Y - 16) +2.018(U - 128)

12.

13. G = 1.164(Y - 16) -0.813(V - 128) - 0.391(U - 128)

14.

15. R = 1.164(Y - 16) +1.596(V - 128)

RGB取值范围均为0~255,Y=0~255,U=-122~+122,V=-157~+157
以下是经过简化的公式,运算量比上述公式要小一些。

1. RGB转YUV

3. Y = 0.299R + 0.587G +0.114B

5. U'= (BY)*0.565

7. V'= (RY)*0.713

9. YUV转RGB

10.

11. R = Y + 1.403V'

12.

13. G = Y - 0.344U' - 0.714V'

14.

15. B = Y + 1.770U'

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。因此用YUV格式由彩色转

黑白信号相当简单.

在技术文档里，YUV经常有另外的名字, YCbCr ,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，Cb Cr 就是本来理论上的“分量/色差”的标识。C代表分量(是component的缩写)Cr、Cb分别对应r(红)、b(蓝)分量信号，Y除了g(绿)分量信号，还叠加了亮度信号。

还有一种格式是YPbPr格式,它与YCbPr格式的区别在于,其中YCbCr是隔行信号，YPbPr是逐行信号。

数字信号都是YCbCr ，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。在后文中，如无特别指明，讲的YUV都是指YCbCr格式。

而YPbPr一般是模拟信号，我引用两段来说明两者区别

1. 　　什么是YCbCr?

2. 　　YCbCr表示隔行分量端子，是属于YUV经过缩放和偏移的翻版，常说的YUV也称作YCbCr。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，Cb Cr 就是本来理论上的“分量/色差”的标识。C代表分量(是component的缩写)Cr、Cb分别对应r(红)、b(蓝)分量信号，Y除了g(绿)分量信号，还叠加了亮度信号。

3. 　　其中YCbCr是隔行信号，YPbPr是逐行信号。YCbCr 是在计算机系统中应用最多的一种信号，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。

4. 　　什么是YPbPr?

5. 　　Y'CbCr 在模拟分量视频(analogcomponent video)中也常被称为YPbPr，YPbPr是将模拟的Y、PB、PR信号分开，使用三条线缆来独立传输，保障了色彩还原的准确性，YPbPr表示逐行扫描色差输出.YPbPr接口可以看做是S端子的扩展，与S端子相比，要多传输PB、PR两种信号，避免了两路色差混合解码并再次分离的过程，也保持了色度通道的最大带宽，只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为RGB三原色信号而成像，这就最大限度地缩短了视频源到显示器成像之间的视频信号通道，避免了因繁琐的传输过程所带来的图像失真，保障了色彩还原的准确，目前几乎所有大屏幕电视都支持色差输入。

二.YUV的存储格式

RGB格式中，一个24bpp像素要占用4字节空间。在YUV格式中,可以对于UV分量的数据压缩,但是对图像整体质量影响不大，这样YUV所占的空间就比RGB要小一些

不过RGB中 16bpp的 565格式每一个点只占2个字节，从这一点看也没有省多少。不过视频应用都是清一色的YUV应用。因此YUV的处理还是一个比较重要课题。

YUV的存储中与RGB格式最大不同在于，RGB格式每个点的数据是连继保存在一起的。即R，G，B是前后不间隔的保存在2-4byte空间中。而YUV的数据中为了节约空间，U，V分量空间会减小。每一个点的Y分量独立保存，但连续几个点的U，V分量是保存在一起的，（反正人眼一般也看不出区别）.这几个点合起来称

为macro-pixel，这种存储格式称为Packed格式。

另外一种存储格式是把一幅图像中Y，U，V分别用三个独立的数组表示。这种模式称为planar模式。

这里我们主要使用第一种Packed格式。

2.1 采样格式

表示YUV格式，一般用Y，U，V三者的比率来表示不同格式，比如YUV420 表示三者是比值此是 4:4:4

即一个点数据点，Y,U,V的空间都是一样大小。目前主要有如下比例，注意所有格式中Y比值都是4,占一个字节,表示没有减少采样。不同格式中,减小只是UV的采样值.

· 4:4:4表示色度值(UV)没有减少采样。即Y,U,V各占一个字节，加上Alpha通道一个字节，总共占4字节.这个格式其实就是24bpp的RGB格式了。

· 4:2:2表示UV分量采样减半,比如第一个像素采样Y,U,第二个像素采样Y,V,依次类推,这样每个点占用2个字节.二个像素组成一个宏像素.

· 4:2:0 这种采样并不意味着只有Y，Cb而没有Cr分量，这里的0说的U，V分量隔行才采样一次。比如第一行采样4:2:0 ,第二行采样 4:0:2 ,依次类推...在这种采样方式下，每一个像素占用16bits或10bits空间.

· 4:1:1可以参考4:2:2分量，是进一步压缩，每隔四个点才采一次U和V分量。一般是第0点采Y,U,第1点采Y,第3点采YV,第四点采Y,依次类推。

除了4:4:4采样，其余采样后信号重新还原显示后,会丢失部分UV数据，只能用相临的数据补齐，但人眼对UV不敏感，因此总体感觉损失不大。

4:2:2示例

如果原始数据三个像素是 Y0 U0 V0 ,Y1 U1 V1,Y2 U2 V2,Y3 U3 V3

经过4：2：2采样后，数据变成了 Y0 U0 ,Y1 V1 ,Y2 U2,Y3 V3

如果还原后，因为某一些数据丢失就补成 Y0 U0 V1,Y1 U0 V1,Y2U2 V3 ,Y3 U3 Y2

4:1:1示例

原来四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

存放的码流为: Y0 U0 ,Y1 , Y2 V2, Y3

还原出像素点为：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

4:2:0示例

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]

YUV 4:4:4格式内存布局,每一个像素拥有完整的YUV，加上A（Alpha)

YUV 4:2:2 小端字节序排列

2.2 Four CC 码

关于YUV444,YUV422,YUV420的名称还有别外一种命名方式,FOURCC 码,上文中用就是这个命令,这Four CC使用四个字母的命名,

FourCC全称Four-CharacterCodes，是由4个字符（4 bytes）组成，是一种独立标示视频数据流格式的四字节，在wav、avi档案之中会有一段FourCC来描述这个AVI档案，是利用何种codec来编码的。因此wav、avi大量存在等于“IDP3”的FourCC

http://zh.wikipedia.org/wiki/FourCC

按fourcc的命名.

http://www.fourcc.org/yuv.php

YUV444 的FourCC 称为 AYUV

YUV422 的FourcCC 按字节序分为 YUY2 和UYVY

YUV420 的FourcCC 按字节序分为 IMC1 和IMC2

2.3 V4L2 采用编码

我们一般是在V4L驱动里使用这一些编码,而且V4L2也有一类对应的编码.参见vedio2dev.h,在编程中要与实际排列对应上.它后面的定义值实际就是FourCC 码.

#define V4L2_PIX_FMT_YVU420 v4l2_fourcc('Y', 'V', '1', '2') /* 12 YVU 4:2:0 */

#define V4L2_PIX_FMT_YUYV v4l2_fourcc('Y','U', 'Y', 'V') /* 16 YUV 4:2:2 */

#define V4L2_PIX_FMT_UYVY v4l2_fourcc('U','Y', 'V', 'Y') /* 16 YUV 4:2:2 */

#define V4L2_PIX_FMT_YUV422P v4l2_fourcc('4', '2', '2','P') /* 16 YVU422 planar */

#define V4L2_PIX_FMT_YUV411P v4l2_fourcc('4', '1', '1','P') /* 16 YVU411 planar */

#define V4L2_PIX_FMT_Y41P v4l2_fourcc('Y','4', '1', 'P') /* 12 YUV 4:1:1 */

#define V4L2_PIX_FMT_YUV444 v4l2_fourcc('Y', '4','4', '4') /* 16 xxxxyyyy uuuuvvvv */

#define V4L2_PIX_FMT_YUV555 v4l2_fourcc('Y', 'U','V', 'O')

比如在CMOS摄像头里支持

V4L2_PIX_FMT_YVU420 ,它对应的是YV12 格式,查相应文档,它是Plane格式,即Y,U,V分三个区排列

YV12

0x32315659

8 bit Y plane followed by 8 bit 2x2 subsampled V and U planes.

This is the format of choice for many software MPEG codecs. It comprisesan NxM Y plane followed by (N/2)x(M/2) V and U planes.

	Horizontal	Vertical
Y Sample Period	1	1
V Sample Period	2	2
U Sample Period	2	2

Positive biHeight implies top-down image (top line first)

YUV分析