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一文讀懂 YUV 的采樣與格式

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摘要:接下來的不同采樣格式都是在一張圖像所有像素的轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)上進(jìn)行的。采樣采樣,意味著分量是分量采樣的一半,分量和分量按照的比例采樣。基于采樣的格式基于采樣的格式主要有和兩種類型,每個類型又對應(yīng)其他具體格式。

YUV 是一種顏色編碼方法,和它等同的還有 RGB 顏色編碼方法。

RGB 顏色編碼

RGB 三個字母分別代表了 紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)(Blue),這三種顏色稱為 三原色,將它們以不同的比例相加,可以產(chǎn)生多種多樣的顏色。

在圖像顯示中,一張 1280 * 720 大小的圖片,就代表著它有 1280 * 720 個像素點(diǎn)。其中每一個像素點(diǎn)的顏色顯示都采用 RGB 編碼方法,將 RGB 分別取不同的值,就會展示不同的顏色。

RGB 圖像中,每個像素點(diǎn)都有紅、綠、藍(lán)三個原色,其中每種原色都占用 8 bit,也就是一個字節(jié),那么一個像素點(diǎn)也就占用 24 bit,也就是三個字節(jié)。

一張 1280 * 720 大小的圖片,就占用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存儲空間。

YUV 顏色編碼

YUV 顏色編碼采用的是 明亮度色度 來指定像素的顏色。

其中,Y 表示明亮度(Luminance、Luma),而 U 和 V 表示色度(Chrominance、Chroma)。

而色度又定義了顏色的兩個方面:色調(diào)和飽和度。

使用 YUV 顏色編碼表示一幅圖像,它應(yīng)該下面這樣的:

和 RGB 表示圖像類似,每個像素點(diǎn)都包含 Y、U、V 分量。但是它的 Y 和 UV 分量是可以分離的,如果沒有 UV 分量一樣可以顯示完整的圖像,只不過是黑白的。

對于 YUV 圖像來說,并不是每個像素點(diǎn)都需要包含了 Y、U、V 三個分量,根據(jù)不同的采樣格式,可以每個 Y 分量都對應(yīng)自己的 UV 分量,也可以幾個 Y 分量共用 UV 分量。

RGB 到 YUV 的轉(zhuǎn)換

對于圖像顯示器來說,它是通過 RGB 模型來顯示圖像的,而在傳輸圖像數(shù)據(jù)時又是使用 YUV 模型,這是因?yàn)?YUV 模型可以節(jié)省帶寬。因此就需要采集圖像時將 RGB 模型轉(zhuǎn)換到 YUV 模型,顯示時再將 YUV 模型轉(zhuǎn)換為 RGB 模型。

RGB 到 YUV 的轉(zhuǎn)換,就是將圖像所有像素點(diǎn)的 R、G、B 分量轉(zhuǎn)換到 Y、U、V 分量。

有如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

此時的轉(zhuǎn)換結(jié)束后,每個像素點(diǎn)都有完整的 Y、U、V 分量。而之前提到 Y 和 UV 分量是可以分離的,接下來通過不同的采樣方式,可以將圖像的 Y、U、V 分量重新組合。

接下來的不同采樣格式都是在一張圖像所有像素的 RGB 轉(zhuǎn)換到 YUV 基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

YUV 采樣格式

YUV 圖像的主流采樣方式有如下三種:

YUV 4:4:4 采樣

YUV 4:2:2 采樣

YUV 4:2:0 采樣

YUV 4:4:4 采樣

YUV 4:4:4 采樣,意味著 Y、U、V 三個分量的采樣比例相同,因此在生成的圖像里,每個像素的三個分量信息完整,都是 8 bit,也就是一個字節(jié)。

如下圖所示:

其中,Y 分量用叉表示,UV 分量用圓圈表示。

舉個例子 :

假如圖像像素為:[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

那么采樣的碼流為:Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 

最后映射出的像素點(diǎn)依舊為 [Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3] 

可以看到這種采樣方式的圖像和 RGB 顏色模型的圖像大小是一樣,并沒有達(dá)到節(jié)省帶寬的目的,當(dāng)將 RGB 圖像轉(zhuǎn)換為 YUV 圖像時,也是先轉(zhuǎn)換為 YUV 4:4:4 采樣的圖像。

YUV 4:2:2 采樣

YUV 4:2:2 采樣,意味著 UV 分量是 Y 分量采樣的一半,Y 分量和 UV 分量按照 2 : 1 的比例采樣。如果水平方向有 10 個像素點(diǎn),那么采樣了 10 個 Y 分量,而只采樣了 5 個 UV 分量。

如下圖所示:

其中,Y 分量用叉表示,UV 分量用圓圈表示。

 舉個例子 :
  
 假如圖像像素為:[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

 那么采樣的碼流為:Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 

 其中,每采樣過一個像素點(diǎn),都會采樣其 Y 分量,而 U、V 分量就會間隔一個采集一個。

 最后映射出的像素點(diǎn)為 [Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]

采樣的碼流映射為像素點(diǎn),還是要滿足每個像素點(diǎn)有 Y、U、V 三個分量。但是可以看到,第一和第二像素點(diǎn)公用了 U0、V1 分量,第三和第四個像素點(diǎn)公用了 U2、V3 分量,這樣就節(jié)省了圖像空間。

一張 1280 * 720 大小的圖片,在 YUV 4:2:2 采樣時的大小為:

(1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.5 * 8 * 2)/ 8 / 1024 / 1024 = 1.76 MB 。

可以看到 YUV 4:2:2 采樣的圖像比 RGB 模型圖像節(jié)省了三分之一的存儲空間,在傳輸時占用的帶寬也會隨之減少。

YUV 4:2:0 采樣

YUV 4:2:0 采樣,并不是指只采樣 U 分量而不采樣 V 分量。而是指,在每一行掃描時,只掃描一種色度分量(U 或者 V),和 Y 分量按照 2 : 1 的方式采樣。比如,第一行掃描時,YU 按照 2 : 1 的方式采樣,那么第二行掃描時,YV 分量按照 2:1 的方式采樣。對于每個色度分量來說,它的水平方向和豎直方向的采樣和 Y 分量相比都是 2:1 。

如下圖所示:

其中,Y 分量用叉表示,UV 分量用圓圈表示。

假設(shè)第一行掃描了 U 分量,第二行掃描了 V 分量,那么需要掃描兩行才能夠組成完整的 UV 分量。

舉個例子 :
 
假設(shè)圖像像素為:
 
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]
 
那么采樣的碼流為:Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
 
其中,每采樣過一個像素點(diǎn),都會采樣其 Y 分量,而 U、V 分量就會間隔一行按照 2 : 1 進(jìn)行采樣。
 
最后映射出的像素點(diǎn)為:

[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V6]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V8]

從映射出的像素點(diǎn)中可以看到,四個 Y 分量是共用了一套 UV 分量,而且是按照 2*2 的小方格的形式分布的,相比 YUV 4:2:2 采樣中兩個 Y 分量共用一套 UV 分量,這樣更能夠節(jié)省空間。

一張 1280 * 720 大小的圖片,在 YUV 4:2:0 采樣時的大小為:

(1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.25 * 8 * 2)/ 8 / 1024 / 1024 = 1.32 MB 。

可以看到 YUV 4:2:0 采樣的圖像比 RGB 模型圖像節(jié)省了一半的存儲空間,因此它也是比較主流的采樣方式。

YUV 存儲格式

說完了采樣,接下來就是如何把采樣的數(shù)據(jù)存儲起來。

YUV 的存儲格式,有兩種:

planar 平面格式

指先連續(xù)存儲所有像素點(diǎn)的 Y 分量,然后存儲 U 分量,最后是 V 分量。

packed 打包模式

指每個像素點(diǎn)的 Y、U、V 分量是連續(xù)交替存儲的。

根據(jù)采樣方式和存儲格式的不同,就有了多種 YUV 格式。這些格式主要是基于 YUV 4:2:2 和 YUV 4:2:0 采樣。

常見的基于 YUV 4:2:2 采樣的格式如下表:

YUV 4:2:2 采樣
YUYV 格式
UYVY 格式
YUV 422P 格式

常見的基于 YUV 4:2:0 采樣的格式如下表:

YUV 4:2:0 采樣 YUV 4:2:0 采樣
YUV 420P 類型 YV12 格式 YU12 格式
YUV 420SP 類型 NV12 格式 NV21 格式

更多的 YUV 格式信息參考這里:YUV pixel formats

基于 YUV 4:2:2 采樣的格式

YUV 4:2:2 采樣規(guī)定了 Y 和 UV 分量按照 2: 1 的比例采樣,兩個 Y 分量公用一組 UV 分量。

YUYV 格式

YUYV 格式是采用打包格式進(jìn)行存儲的,指每個像素點(diǎn)都采用 Y 分量,但是每隔一個像素采樣它的 UV 分量,排列順序如下:

Y0 UO Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量,Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量....

UYVY 格式

UYVY 格式也是采用打包格式進(jìn)行存儲,它的順序和 YUYV 相反,先采用 U 分量再采樣 Y 分量,排列順序如下:

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量,Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量....

根據(jù) UV 和 Y 的順序還有其他格式,比如,YVYU 格式,VYUY 格式等等,原理大致一樣了。

YUV 422P 格式

YUV 422P 格式,又叫做 I422,采用的是平面格式進(jìn)行存儲,先存儲所有的 Y 分量,再存儲所有的 U 分量,再存儲所有的 V 分量。

基于 YUV 4:2:0 采樣的格式

基于 YUV 4:2:0 采樣的格式主要有 YUV 420P 和 YUV 420SP 兩種類型,每個類型又對應(yīng)其他具體格式。

YUV 420P 類型

YU12 格式

YV12 格式

YUV 420SP 類型

NV12 格式

NV21 格式

YUV 420P 和 YUV 420SP 都是基于 Planar 平面模式 進(jìn)行存儲的,先存儲所有的 Y 分量后, YUV420P 類型就會先存儲所有的 U 分量或者 V 分量,而 YUV420SP 則是按照 UV 或者 VU 的交替順序進(jìn)行存儲了,具體查看看下圖:

YUV420SP 的格式:

YUV420P 的格式:

YU12 和 YV12 格式

YU12 和 YV12 格式都屬于 YUV 420P 類型,即先存儲 Y 分量,再存儲 U、V 分量,區(qū)別在于:YU12 是先 Y 再 U 后 V,而 YV12 是先 Y 再 V 后 U 。

YV 12 的存儲格式如下圖所示:

YU 12 又稱作 I420 格式,它的存儲格式就是把 V 和 U 反過來了。

NV12 和 NV21 格式

NV12 和 NV21 格式都屬于 YUV420SP 類型。它也是先存儲了 Y 分量,但接下來并不是再存儲所有的 U 或者 V 分量,而是把 UV 分量交替連續(xù)存儲。

NV12 是 IOS 中有的模式,它的存儲順序是先存 Y 分量,再 UV 進(jìn)行交替存儲。

NV21 是 安卓 中有的模式,它的存儲順序是先存 Y 分量,在 VU 交替存儲。

小結(jié)

以上就是關(guān)于 YUV 的知識總結(jié),你有看明白了嘛?

參考

    blog.csdn.net/grow_mature…

    www.cnblogs.com/azraelly/ar…

    blog.csdn.net/MrJonathan/…

    blog.csdn.net/wudebao5220…

    msdn.microsoft.com/zh-cn/libra…

    www.fourcc.org/yuv.php

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