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YUV是什么 优点  

2011-12-03 17:28:01|  分类: YUV-RGB |  标签: |举报 |字号 订阅

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概述

  YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于PAL),是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中的Y,U,V几个字母不是英文单词的组合词,Y代表亮度,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,通常采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R-Y(即U)、B-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。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用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。如果只有 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。彩色电视采用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。


优点作用

  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,它最大的优点在于只需占用极少的频宽(RGB要求三个独立的视频信号同时传输)。其中"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和CB来表示。其中,Cr反映了RGB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。

  采用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。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。彩色电视采用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。

  对于数字视频,定义了从 RGB 到两个主要 YUV 的转换。这两个转换都基于称为 ITU-R Recommendation BT.709 的规范。第一个转换是 BT.709 中定义用于 50-Hz 的较早的 YUV 格式。它与在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的关系相同, ITU-R Recommendation BT.601 也被称为它的旧名称 CCIR 601。这种格式应该被视为用于标准定义 TV 分辨率 (720 x 576) 和更低分辨率视频的首选 YUV 格式。它的特征由下面两个常量 Kr 和 Kb 的值来定义:

  Kr = 0.299Kb = 0.114第二个转换为 BT.709 中定义用于 60-Hz 的较新 YUV 格式,应该被视为用于高于 SDTV 的视频分辨率的首选格式。它的特征由下面两个不同的常量值来定义:

  Kr = 0.2126Kb = 0.0722从 RGB 到 YUV 转换的定义以下列内容开始:

  L = Kr * R + Kb * B + (1 - Kr - Kb) * G然后,按照下列方式获得 YUV 值:

  Y = floor(2^(M-8) * (219*(L-Z)/S + 16) + 0.5)U = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) * (112*(B-L) / ((1-Kb)*S) + 128) + 0.5))V = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) * (112*(R-L) / ((1-Kr)*S) + 128) + 0.5))其中

  M 为每个 YUV 样例的位数 (M >= 8)。

  Z 为黑电平变量。对于计算机 RGB,Z 等于 0。对于 studio 视频 RGB,Z 等于 16*2,其中 N 为每个 RGB 样例的位数 (N >= 8)。

  S 为缩放变量。对于计算机 RGB,S 等于 255。对于 studio 视频 RGB,S 等于 219*2。

  函数 floor(x) 返回大于或等于 x 的最大整数。函数 clip3(x, y, z) 的定义如下所示:

  clip3(x, y, z) = ((z < x) ? x : ((z > y) ? y : z))Y 样例表示亮度,U 和 V 样例分别表示偏向蓝色和红色的颜色偏差。Y 的标称范围为 16*2 到 235*2 。黑色表示为 16*2 ,白色表示为 235*2 。U 和 V 的标称范围为 16*2 到 240*2 ,值 128*2 表示中性色度。但是,实际的值可能不在这些范围之内。

  对于 studio 视频 RGB 形式的输入数据,要使得 U 和 V 值保持在 0 到 2M-1 范围之内,必需进行剪辑操作。如果输入为计算机 RGB,则不需要剪辑操作,这是因为转换公式不会生成超出此范围的值。

  这些都是精确的公式,没有近似值。

  在DirectShow中,常见的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、 ARGB32等;常见的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、 YVU9、YUV411、YUV420等。


YUV主要的采样格式

  主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1 比较常用,其含义为:每个点保存一个 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个点需要 8x3=24 bits(如下图第一个图),(全采样后,YUV仍各占8bit)。按4:1:1采样后,而现在平均仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits(4个点,8*4(Y)+8(U)+8(V)=48bits), 平均每个点占12bits(如下图第二个图)。这样就把图像的数据压缩了一半。

  上边仅给出了理论上的示例,在实际数据存储中是有可能是不同的,下面给出几种具体的存储形式:

  (1) YUV 4:4:4

  YUV三个信道的抽样率相同,因此在生成的图像里,每个象素的三个分量信息完整(每个分量通常8比特),经过8比特量化之后,未经压缩的每个像素占用3个字节。

  下面的四个像素为: [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

  每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只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说,每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。

  下面的四个像素为:[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

  存放的码流为:Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 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

  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可以接受的。对非压缩的8比特量化的视频来说,每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

  下面的四个像素为: [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

  4:2:0并不意味着只有Y,Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说,只有一种色度分量以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,如果一行是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,所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说,每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

  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]


各种YUV格式

  YUV格式通常有两大类:打包(packed)格式和平面(planar)格式。前者将YUV分量存放在同一个数组中,通常是几个相邻的像素组成一个宏像素(macro-pixel);而后者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。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:在介绍各种具体格式时,YUV各分量都会带有下标,如Y0、U0、V0表示第一个像素的YUV分量,Y1、U1、V1表示第二个像素的YUV分量,以此类推。)

  ¨ YUY2(和YUYV)格式为每个像素保留Y分量,而UV分量在水平方向上每两个像素采样一次。一个宏像素为4个字节,实际表示2个像素。(4:2:2的意思为一个宏像素中有4个Y分量、2个U分量和2个V分量。)图像数据中YUV分量排列顺序如下:

  Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 ...

  ¨ YVYU格式跟YUY2类似,只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同:

  Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 ...

  ¨ UYVY格式跟YUY2类似,只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同:

  U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 ...

  ¨ AYUV格式带有一个Alpha通道,并且为每个像素都提取YUV分量,图像数据格式如下:

  A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 ...

  ¨ Y41P(和Y411)格式为每个像素保留Y分量,而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。一个宏像素为12个字节,实际表示8个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下:

  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个像素采样一次,而UV分量每4个像素采样一次。一个宏像素为4个字节,实际表示4个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下:

  Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 ...

  ¨ YVU9格式为每个像素都提取Y分量,而在UV分量的提取时,首先将图像分成若干个4 x 4的宏块,然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。图像数据存储时,首先是整幅图像的Y分量数组,然后就跟着U分量数组,以及V分量数组。IF09格式与YVU9类似。

  ¨ IYUV格式为每个像素都提取Y分量,而在UV分量的提取时,首先将图像分成若干个2 x 2的宏块,然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。YV12格式与IYUV类似。

  ¨ YUV411、YUV420格式多见于DV数据中,前者用于NTSC制,后者用于PAL制。YUV411为每个像素都提取Y分量,而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。YUV420并非V分量采样为0,而是跟YUV411相比,在水平方向上提高一倍色差采样频率,在垂直方向上以U/V间隔的方式减小一半色差采样,如上图所示。


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