YUV 格式詳解

 

YUV

開放分類： 網路、電腦、手機、色彩學、影像學

目錄 • 概述 • 優點作用 • YUV主要的採樣格式 • 各種YUV格式（圖） 概述 　　YUV（亦稱YCrCb）是被歐洲電視系統所採用的一種顏色編碼方法（屬於PAL），是PAL和SECAM類比彩色電視制式採用的色彩空間。其中的Y,U,V幾個字母不是英文單詞的組合詞，Y代表亮度，uv代表色差，u和v是構成彩色的兩個分量。在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，然後把取得的彩色映像訊號經分色、分別放大校正後得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度訊號Y和兩個色差訊號R－Y（即U）、B－Y（即V），最後發送端將亮度和色差三個訊號分別進行編碼，用同一通道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。採用YUV色彩空間的重要性是它的亮度訊號Y和色度訊號U、V是分離的。如果只有 Y訊號分量而沒有U、V訊號分量，那麼這樣表示的映像就是黑白灰階映像。彩色電視採用YUV空間正是為了用亮度訊號Y解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視訊號。優點作用 　　YUV主要用於最佳化彩色視頻訊號的傳輸，使其向後相容老式黑白電視。與RGB視頻訊號傳輸相比，它最大的優點在於只需佔用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻訊號同時傳輸）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V” 表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用於指定像素的顏色。“亮度”是透過RGB輸入訊號來建立的，方法是將RGB訊號的特定部分疊加到一起。“色度”則定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用Cr和CB來表示。其中，Cr反映了GB輸入訊號紅色部分與RGB訊號亮度值之間的差異。而CB反映的是RGB輸入訊號藍色部分與RGB訊號亮度值之同的差異。 　　採用YUV色彩空間的重要性是它的亮度訊號Y和色度訊號U、V是分離的。如果只有Y訊號分量而沒有U、V分量，那麼這樣表示的映像就是黑白灰階映像。彩色電視採用YUV空間正是為了用亮度訊號Y解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視訊號。 　　YUV與RGB相互轉換的公式如下（RGB取值範圍均為0-255）︰ 　　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 　　在DirectShow中，常見的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。 　　YUV主要的採樣格式 　　主要的採樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1 比較常用，其含義為：每個點儲存一個 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 個點儲存一個 Cr 和Cb 值, 映像在肉眼中的感覺不會起太大的變化。所以， 原來用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 4 個點需要 8x3=24 bites（如第一個圖）。而現在僅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bites, 平均每個點佔12bites(如第二個圖)。這樣就把映像的資料壓縮了一半。 　　上邊僅給出了理論上的樣本，在實際資料存放區中是有可能是不同的，下面給出幾種具體的儲存形式： 　　（1）    YUV 4:4:4 　　YUV三個通道的抽樣率相同，因此在產生的映像裡，每個象素的三個分量資訊完整（每個分量通常8位元），經過8位元量化之後，未經壓縮的每個像素佔用3個位元組。 　　下面的四個像素為: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 　　存放的碼流為: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 　　（2）   YUV 4:2:2 　　每個色差通道的抽樣率是亮度通道的一半，所以水平方向的色度抽樣率只是4:4:4的一半。對非壓縮的8位元量化的映像來說，每個由兩個水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要佔用4位元組記憶體。 　　下面的四個像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 　　存放的碼流為：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 　　映射出像素點為：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3] 　　（3）   YUV 4:1:1 　　4:1:1的色度抽樣，是在水平方向上對色度進行4:1抽樣。對於低端使用者和消費類產品這仍然是可以接受的。對非壓縮的8位元量化的視頻來說，每個由4個水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要佔用6位元組記憶體。 　　下面的四個像素為: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 　　存放的碼流為: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3 　　映射出像素點為：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2] 　　（4）YUV4:2:0 　　4:2:0並不意味著只有Y，Cb而沒有Cr分量。它指得是對每行掃描線來說，只有一種色度分量以2:1的抽樣率儲存。相鄰的掃描行儲存不同的色度分量，也就是說，如果一行是4:2:0的話，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此類推。對每個色度分量來說，水平方向和豎直方向的抽樣率都是2:1，所以可以說色度的抽樣率是4:1。對非壓縮的8位元量化的視頻來說，每個由2x2個2行2列相鄰的像素組成的宏像素需要佔用6位元組記憶體。 　　下面八個像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 　　[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8] 　　存放的碼流為：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 　　Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8 　　映射出的像素點為：[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7] 　　[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7] 　　 各種YUV格式（圖） 　　YUV格式通常有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者將YUV分量存放在同一個數組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；而後者使用三個數組分開存放YUV三個分量，就像是一個三維平面一樣。表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介紹各種具體格式時，YUV各分量都會帶有下標，如Y0、U0、V0表示第一個像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二個像素的YUV分量，以此類推。） 　　¨ YUY2（和YUYV）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素採樣一次。一個宏像素為4個位元組，實際表示2個像素。（4:2:2的意思為一個宏像素中有4個Y分量、2個U分量和2個V分量。）映像資料中YUV分量排列順序如下： 　　Y0 U0 Y1 V0    Y2 U2 Y3 V2 … 　　¨ YVYU格式跟YUY2類似，只是映像資料中YUV分量的排列順序有所不同： 　　Y0 V0 Y1 U0    Y2 V2 Y3 U2 … 　　¨ UYVY格式跟YUY2類似，只是映像資料中YUV分量的排列順序有所不同： 　　U0 Y0 V0 Y1    U2 Y2 V2 Y3 … 　　¨ AYUV格式帶有一個Alpha通道，並且為每個像素都提取YUV分量，映像資料格式如下： 　　A0 Y0 U0 V0    A1 Y1 U1 V1 … 　　¨ Y41P（和Y411）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素採樣一次。一個宏像素為12個位元組，實際表示8個像素。映像資料中YUV分量排列順序如下： 　　U0 Y0 V0 Y1    U4 Y2 V4 Y3    Y4 Y5 Y6 Y8 … 　　¨ Y211格式在水平方向上Y分量每2個像素採樣一次，而UV分量每4個像素採樣一次。一個宏像素為4個位元組，實際表示4個像素。映像資料中YUV分量排列順序如下： 　　Y0 U0 Y2 V0    Y4 U4 Y6 V4 … 　　¨ YVU9格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將映像分成若干個4 x 4的宏塊，然後每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。映像資料存放區時，首先是整幅映像的Y分量數組，然後就跟著U分量數組，以及V分量數組。IF09格式與YVU9類似。 　　¨ IYUV格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將映像分成若干個2 x 2的宏塊，然後每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。YV12格式與IYUV類似。 　　¨ YUV411、YUV420格式多見於DV資料中，前者用於NTSC制，後者用於PAL制。YUV411為每個像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素採樣一次。YUV420並非V分量採樣為0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差採樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減小一半色差採樣，如所示。