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颜色空间YUV简介

编程日记 2024-12-26 00:00:00

YUV概念：YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于PAL，Phase Alternation Line)，是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中的Y、U、V几个字母不是英文单词的组合词，Y代表亮度，其实Y就是图像的灰度值；UV代表色差，U和V是构成彩色的两个分量。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号B--Y(即U)、R--Y(即V)，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有 Y信号分量而没有U、V信号分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

YUV颜色空间属于非线性亮度/色度(luma/chroma)型颜色空间，用一个分量表示非色彩的感知，用两个独立的分量表示色彩的感知。

YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽(RGB要求三个独立的视频信号同时传输)。其中"Y"表示明亮度(Luminance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。"亮度"是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。"色度"则定义了颜色的两个方面----色调与饱和度，分别用Cr(V)和Cb(U)来表示。其中，Cr反映了GB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。

采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。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。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

广播、视频和成像标准使用YUV色彩空间还有一个重要的原因,就是与人的视觉系统很有关系。人类的眼睛对低频信号比对高频信号具有更高的敏感度。事实上,人类的眼睛对明视度的改变也比对色彩的改变要敏感的多。因此对人类而言,Y分量比U分量重要,根据人眼的这一特征,在不使用任何复杂算法的前提下, 可以适当地抛弃U和V分量以达到压缩的目的,这就是部分取样(subsampling)。

YUV与YCrCb的区别：YCrCb颜色空是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间。YCbCr是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU-R BT.601建议的一部分，其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。YCrCb中的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。YCbCr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。在YUV家族中，YCbCr是在计算机系统中应用最多的成员，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。YCbCr有许多取样格式。

YUV与RGB相互转换的公式：

Y = 0.299R + 0.587G+ 0.114B

U = -0.147R -0.289G + 0.436B

V = 0.615R - 0.515G- 0.100B

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U -0.58V

B = Y + 2.03U

YUV主要采样格式： YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。

(1)、YUV 4:4:4：无压缩，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:压缩33.3%，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 Y2U2 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: 压缩50%，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。

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，1个点需要8x3=24bits，(全采样后，YUV仍各占8bit)。按4:1:1采样后，而现在平均仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits(4个点，8*4(Y)+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每个点占12bits。这样就把图像的数据压缩了一半。

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: 压缩50%，4:2:0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。绝大多数视频编解码器都采用这种格式作为标准的输入格式。

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] [Y7 U7 V7] [Y8 U8 V8]

存放的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2Y3

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格式：通常有两大类：打包(packedformats)格式和平面(planar format)格式。

打包格式将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)，和RGB的存放方式类似，在这种格式下每个像素点的YUV数据混合放在一个矩阵中。

平面格式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。

打包格式中的YUV是混合在一起的，对于YUV4:4:4和YUV4:2:2格式而言，用打包格式是很合适的，因此就有了UYVY、YUYV等。

平面格式是指每Y份量，U份量和V份量都是以独立的平面组织的，即Y、U、V是分开存储的，每个分量占一块地方，其中Y为width*height，而U、V合占Y的一半，该中格式每个像素栈12bits。平面格式有I420(4:2:0)、YV12、IYUV等。

根据U、V的顺序，分出2种格式：U前V后即YUV420P，也叫I420，V前U后，叫YV12(YV表示Y后面跟着V，12表示12bits)。另外，还有一种半平面格式(semi-planar)，即Y单独占一块地方，但其后U、V又紧挨着排在一起，根据U、V的顺序，又有2种，U前V后叫NV12；V前U后叫NV21。

YUV的表示法称为A:B:C表示法：

(1)、4:4:4 ，表示完全取样，色度频道没有下采样。

(2)、4:2:2 ，表示2:1的水平采样，没有垂直下采样。对于每2个U样例或V样例，每个扫描行都包含4个Y样例。

(3)、4:2:0 ，表示2:1的水平采样，2:1的垂直下采样。

(4)、4:1:1 ，表示4:1的水平下采样，没有垂直下采样。对于每个U样例或V样例，每个扫描行都包含4个Y样例。

如果需要对YUV颜色空间有更进一步了解，可以学习下libyuv库。

以上内容主要整理自：

1. http://baike.baidu.com/item/YUV

2. http://www.chinadmd.com/file/tpoiow33o66zritpt3aucpsz_1.html

3. http://www.chinadmd.com/file/zzaevvxtpzpsc3ec6rppcoci_1.html

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

https://www.dkcj.cn/info/33440.html

颜色空间YUV简介

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