yuv格式较好分析

2019-11-09 16:48:42

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供稿：网友

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 YUV Formats>> 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RGB 转换成 YUV Y = (0.257 * R) + (0.504 * G) + (0.098 * B) + 16 Cr = V = (0.439 * R) - (0.368 * G) - (0.071 * B) + 128 Cb = U = -( 0.148 * R) - (0.291 * G) + (0.439 * B) + 128YUV 转换成 RGB B = 1.164(Y - 16) + 2.018(U - 128) G = 1.164(Y - 16) - 0.813(V - 128) - 0.391(U - 128) 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。RGB转YUVY = 0.299R + 0.587G + 0.114B U'= (BY)*0.565 V'= (RY)*0.713YUV转RGBR = Y + 1.403V' G = Y - 0.344U' - 0.714V' 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　　什么是YCbCr?　　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。　　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。　　什么是YPbPr?　　Y'CbCr 在模拟分量视频(analog component 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,Y2 U2V3 ,Y3 U3Y2 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-Character Codes，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.phpYUV444 的FourCC 称为 AYUVYUV422 的FourcCC 按字节序分为YUY2 和UYVYYUV420 的FourcCC 按字节序分为IMC1 和IMC22.3 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 comprises an NxM Y plane followed by (N/2)x(M/2) V and U planes.