颜色空间YUV简单介绍

Posted 2020-09-27 ljbguanli

YUV概念：YUV是被欧洲电视系统所採用的一种颜色编码方法(属于PAL，Phase Alternation Line)，是PAL和SECAM模拟彩色电视制式採用的颜色空间。

当中的Y、U、V几个字母不是英文单词的组合词，Y代表亮度，事实上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。通常採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。这样的色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。

採用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。

假设仅仅有 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。彩色电视採用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，它最大的长处在于仅仅需占用极少的频宽(RGB要求三个独立的视频信号同一时候传输)。当中"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)。作用是描写叙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。当中。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。

採用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。假设仅仅有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。

彩色电视採用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色彩空间另一个重要的原因,就是与人的视觉系统非常有关系。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,依据人眼的这一特征,在不使用不论什么复杂算法的前提下, 能够适当地抛弃U和V分量以达到压缩的目的,这就是部分取样(subsampling)。

YUV与YCrCb的差别：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。事实上是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相同都指色彩，仅仅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。其应用领域非常广泛。JPEG、MPEG均採用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。YCbCr有很多取样格式。

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主要採样格式： 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。每一个象素的三个分量信息完整(每一个分量通常8比特)，经过8比特量化之后。未经压缩的每一个像素占用3个字节。

以下的四个像素为: [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%，每一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仅仅是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说。每一个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素须要占用4字节内存。

以下的四个像素为：[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能够接受的。对非压缩的8比特量化的视频来说。每一个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素须要占用6字节内存。

每一个点保存一个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个点须要8x3=24bits。(全採样后，YUV仍各占8bit)。按4:1:1採样后，而如今平均仅须要 8+(8/4)+(8/4)=12bits(4个点，8*4(Y)+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每一个点占12bits。这样就把图像的数据压缩了一半。

以下的四个像素为: [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并不意味着仅仅有Y、Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说，仅仅有一种色度分量以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，假设一行是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。

对每一个色度分量来说。水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1。所以能够说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说，每一个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素须要占用6字节内存。绝大多数视频编解码器都採用这样的格式作为标准的输入格式。

以下八个像素为：[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，一般是几个相邻的像素组成一个宏像素(macro-pixel)。和RGB的存放方式相似。在这样的格式下每一个像素点的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，用打包格式是非常合适的，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，每一个分量占一块地方，当中Y为width*height，而U、V合占Y的一半。该中格式每一个像素栈12bits。平面格式有I420(4:2:0)、YV12、IYUV等。

         依据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。另一种半平面格式(semi-planar)，即Y单独占一块地方，但其后U、V又紧挨着排在一起，依据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 。表示全然取样，色度频道没有下採样。

         (2)、4:2:2 ，表示2:1的水平採样。没有垂直下採样。对于每2个U例子或V例子。每一个扫描行都包括4个Y例子。

         (3)、4:2:0 ，表示2:1的水平採样，2:1的垂直下採样。

         (4)、4:1:1 ，表示4:1的水平下採样，没有垂直下採样。

对于每一个U例子或V例子，每一个扫描行都包括4个Y例子。

         假设须要对YUV颜色空间有更进一步了解。能够学习下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