YUV

一、YUV

YUV，是一种颜色编码方法，跟RGB是同一个级别的概念，广泛应用于多媒体领域中。

二、YUV vs RGB

体积更小

• 如果使用RGB
  • 比如RGB888（R、G、B每个分量都是8bit）
  • 1个像素占用24bit（3字节）
• 如果使用YUV
  • 1个像素可以减小至平均只占用12bit（1.5字节）
  • 体积为RGB888的一半

组成不同

RGB数据由R、G、B三个分量组成。

YUV数据由Y、U、V三个分量组成，现在通常说的YUV指的是YCbCr。

• Y：表示亮度（Luminance、Luma），占8bit（1字节）
• Cb、Cr：表示色度（Chrominance、Chroma）
  • Cb（U）：蓝色色度分量，占8bit（1字节）
  • Cr（V）：红色色度分量，占8bit（1字节）

兼容性

• Y分量对呈现出清晰的图像有着很大的贡献
• Cb、Cr分量的内容不太容易识别清楚

YUV的发明处在彩色电视与黑白电视的过渡时期。

• YUV将亮度信息（Y）与色度信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的
• 这样的设计很好地解决了彩色电视与黑白电视的兼容性问题，使黑白电视也能够接收彩色电视信号，只不过它只显示了Y分量
• 彩色电视有Y、U、V分量，如果去掉UV分量，剩下的Y分量和黑白电视相同

三、相互转换

公式1

Y = 0.257R + 0.504G + 0.098B + 16
U = -0.148R - 0.291G + 0.439B + 128
V = 0.439R - 0.368G - 0.071B + 128
 
R = 1.164(Y - 16) + 2.018(U - 128)
G = 1.164(Y - 16) - 0.813(V - 128) - 0.391(U - 128)
B = 1.164(Y - 16) + 1.596(V - 128)

• RGB的取值范围是[0,255]
• Y的取值范围是[16,235]
• UV的取值范围是[16,239]

公式2

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = 0.564(B - Y) = -0.169R - 0.331G + 0.500B
V = 0.713(R - Y) = 0.500R - 0.419G - 0.081B
 
R = Y + 1.403V
G = Y - 0.344U - 0.714V
B = Y + 1.770U

• RGB的取值范围是[0, 1]
• Y的取值范围是[0, 1]
• UV的取值范围是[-0.5, 0.5]

公式3

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.169R - 0.331G + 0.500B + 128
V = 0.500R - 0.419G - 0.081B + 128
 
R = Y + 1.403(V - 128)
G = Y - 0.343(U - 128) - 0.714(V - 128)
B = Y + 1.770(U - 128)

• RGB的取值范围是[0, 255]
• YUV的取值范围是[0, 255]

四、色度二次采样

人眼对亮度的敏感程度要高于对色度的敏感程度，人眼对于亮度的分辨要比对颜色的分辨精细一些。

如果把图像的色度分量减少一些，人眼也丝毫感觉不到变化和差异。

色度二次采样（Chroma Subsampling）：如果在色度分量上进行（相对亮度分量）较低分辨率的采样，也就是存储较多的亮度细节、较少的色度细节，这样就可以在不明显降低画面质量的同时减小图像的体积。

采样格式

采样格式通常用A:B:C的形式来表示，比如4:4:4、4:2:2、4:2:0等，其中我们最需要关注的是4:2:0。

• A：一块A*2个像素的概念区域，一般都是4
• B：第1行的色度采样数目
• C：第2行的色度采样数目。C的值一般要么等于B，要么等于0

色度二次采样

不管是哪种采样格式，Y分量都是全水平、全垂直分辨率采样的，每一个像素都有自己独立的Y分量。

4:4:4

• 第1行采集4组CbCr分量，第2行采集4组CbCr分量
• 每1个像素都有自己独立的1组CbCr分量
  • Y分量与CbCr分量的水平方向比例是1:1（每1列都有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的垂直方向比例是1:1（每1行都有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的总比例是1:1
• 1个像素占用24bit（3字节），跟RGB888的体积一样
  • 24bpp（bits per pixel）
• 这种格式是没有进行色度二次采样的

4:2:2

• 第1行采集2组CbCr分量，第2行采集2组CbCr分量
• 水平方向相邻的2个像素（1行2列）共用1组CbCr分量
  • Y分量与CbCr分量的水平方向比例是2:1（每2列就有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的垂直方向比例是1:1（每1行都有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的总比例是2:1
• 1个像素平均占用16bit（2字节）
  • 16bpp
  • 因为2个像素共占用32bit（4字节 = 2个Y分量 + 1个Cb分量 + 1个Cr分量）

4:2:0

• 第1行采集2组CbCr分量，第2行共享第1行的CbCr分量
• 相邻的4个像素（2行2列）共用1组CbCr分量
  • Y分量与CbCr分量的水平方向比例是2:1（每2列就有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的垂直方向比例是2:1（每2行就有1组CbCr分量）
  • Y分量与CbCr分量的总比例是4:1
• 1个像素平均占用12bit（1.5字节）
  • 12bpp
  • 因为4个像素共占用48bit（6字节 = 4个Y分量 + 1个Cb分量 + 1个Cr分量）

五、存储格式

YUV的存储格式可以分为3大类：

• Planar（平面）
  • Y、U、V分量分开单独存储
  • 名称通常以字母p结尾
• Semi-Planar（半平面）
  • Y分量单独存储，U、V分量交错存储
  • 名称通常以字母sp结尾
• Packed（紧凑）
  • 或者叫Interleaved （交错）
  • Y、U、V分量交错存储

4:4:4 4:2:2 4:2:0