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YUV

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U-V color plane範例,Y value = 0.5,代表RGB色域(color gamut)

YUV,是一種顏色編碼方法。

YUV是編譯true-color顏色空間(color space)的種類,Y'UV, YUV, YCbCrYPbPr等專有名詞都可以稱為YUV,彼此有重疊。「Y」表示明亮度(Luminance、Luma),「U」和「V」則是色度濃度(Chrominance、Chroma),Y'UV, YUV, YCbCr, YPbPr常常有些混用的情況,其中YUV和Y'UV通常用來描述類比訊號,而相反的YCbCr與YPbPr則是用來描述數位的影像訊號,例如在一些壓縮格式內MPEG、JPEG中,但在現今,YUV通常已經在電腦系統上廣泛使用。YUV Formats分成兩個格式:

  • 緊縮格式(packed formats):將Y、U、V值儲存成Macro Pixels陣列,和RGB的存放方式類似。
  • 平面格式(planar formats):將Y、U、V的三個分量分別存放在不同的矩陣中。

緊縮格式(packed format)中的YUV是混合在一起的,對於YUV4:4:4格式而言,用緊縮格式很合適的,因此就有了UYVY、YUYV等。平面格式(planar formats)是指每Y份量,U份量和V份量都是以獨立的平面組織的,也就是說所有的U份量必須在Y分量後面,而V份量在所有的U份量後面,此一格式適用於採樣(subsample)。平面格式(planar format)有I420(4:2:0)、YV12、IYUV等。

歷史[编辑]

圖像中的Y', U,和V組成

Y'UV的發明是由於彩色電視黑白電視的過渡時期[1]。黑白視訊只有Y(Luma,Luminance)視訊,也就是灰階值。到了彩色電視規格的制定,是以YUV/YIQ的格式來處理彩色電視圖像,把UV視作表示彩度的C(Chrominance或Chroma),如果忽略C訊號,那麼剩下的Y(Luma)訊號就跟之前的黑白電視訊號相同,這樣一來便解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題。Y'UV最大的優點在於只需佔用極少的頻寬。

彩色圖像記錄的格式,常見的有RGB、YUV、CMYK等。彩色電視最早的構想是使用RGB三原色來同時傳輸。這種設計方式是原來黑白頻寬的3倍,在當時並不是很好的設計。RGB訴求於人眼對色彩的感應,YUV則著重於視覺對於亮度的敏感程度,Y代表的是亮度,UV代表的是彩度(因此黑白電影可省略UV,相近於RGB),分別用Cr和Cb來表示,因此YUV的記錄通常以Y:UV的格式呈現。

常用的YUV格式[编辑]

為節省頻寬起見,大多數YUV格式平均使用的每像素位數都少於24位元。主要的抽样(subsample)格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和YCbCr 4:4:4。YUV的表示法稱為A:B:C表示法:

  • 4:4:4表示完全取樣。
  • 4:2:2表示2:1的水平取樣,垂直完全採樣。
  • 4:2:0表示2:1的水平取樣,垂直2:1採樣。
  • 4:1:1表示4:1的水平取樣,垂直完全採樣。

最常用Y:UV記錄的比重通常1:1或2:1,DVD-Video是以YUV 4:2:0的方式記錄,也就是我們俗稱的I420,YUV4:2:0並不是說只有U(即Cb), V(即Cr)一定為0,而是指U:V互相援引,時見時隱,也就是說對於每一個行,只有一個U或者V份量,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。至於其他常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。

YUY2及常见表示方法[编辑]

YUY2(和YUYV)格式為像素保留Y,而UV在水平空間上相隔二個像素採樣一次(Y0 U0 Y1 V0),(Y2 U2 Y3 V2)…其中,(Y0 U0 Y1 V0)就是一个macro-pixel(宏像素),它表示了2个像素,(Y2 U2 Y3 V2)是另外的2个像素。 以此类推,再如: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 Y7)…

YVYU UYVY[编辑]

YVYU, UYVY格式跟YUY2類似,只是排列順序有所不同。Y211格式是Y每2個像素採樣一次,而UV每4個像素採樣一次。AYUV格式則有一Alpha通道。

YV12[编辑]

YV12格式與IYUV類似,每個像素都提取Y,在UV提取時,將圖像2 x 2的矩陣,每個矩阵提取一個U和一個V。YV12格式和I420格式的不同處在V平面和U平面的位置不同。在YV12格式中,V平面緊跟在Y平面之後,然後才是U平面(即:YVU);但I420則是相反(即:YUV)。NV12與YV12類似,效果一樣,YV12中U和V是連續排列的,而在NV12中,U和V就交錯排列的。

排列举例: 2*2图像YYYYVU; 4*4图像YYYYYYYYYYYYYYYYVVVVUUUU

轉換[编辑]

YUV與RGB的轉換公式:

U和V元件可以被表示成原始的R、G,和B:


\begin{array}{rll}
Y &= 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B \\
U &= -0.169 * R - 0.331 * G + 0.5 * B + 128 \\
V &= 0.5 * R - 0.419 * G - 0.081 * B + 128
\end{array}

如一般順序,轉移元件的範圍可得到:


\begin{array}{rll}
Y & \in \left[0, 255\right] \\
U & \in \left[0, 255\right] \\
V & \in \left[0, 255\right]
\end{array}

在逆轉關係上,從YUV到RGB,可得


\begin{array}{rll}
R & = Y + 1.13983 * (V - 128) \\
G & = Y - 0.39465 * (U - 128) - 0.58060 * (V - 128) \\
B & = Y + 2.03211 * (U - 128)
\end{array}

取而代之,以矩陣表示法(matrix representation),可得到公式:


\begin{bmatrix} Y \\ U \\ V \end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix} 0.299 & 0.587 & 0.114 \\ -0.169 & -0.331 & 0.5 \\ 0.5 & -0.419 & -0.081 \end{bmatrix}
\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix} +
\begin{bmatrix} 0 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}


\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}
=
\begin{bmatrix} 1 & -0.00093 & 1.401687 \\ 1 & -0.3437 & -0.71417 \\ 1 & 1.77216 & 0.00099 \end{bmatrix}
\begin{bmatrix} Y \\ U - 128 \\ V - 128 \end{bmatrix}

YUV轉RGB[编辑]

function RGB* YUV444toRGB888(Y, U, V);將YUV format移轉成簡單的RGB format並可以用浮點運算實作:

Y'UV444[编辑]

大多數YUV格式平均使用的每像素位數都少於24位元。YUV444是最逼真的格式,一格不刪(24 bits),即每4個Y,配上4個U,還有4個V;YUV422則是在UV格式上減半,即每4個Y,配2個U,2個V;YUV420則是在UV上減至1/4之格式,即每4個Y,配1個U,再配1個V。

這些公式是基於NTSC standard;

Y' =  0.299 \times R + 0.587 \times G + 0.114 \times B
U = -0.147 \times R - 0.289 \times G + 0.436 \times B
V = 0.615 \times R - 0.515 \times G - 0.100 \times B

在早期的非SIMD(non-SIMD)構造中,floating point arithmetic會比fixed-point arithmetic稍慢,所以有一替代公式如下:

C = Y' - 16
D = U - 128
E = V - 128

使用前面的係數並且用clip()註明切割的值域是0至255,如下的公式是從Y'UV到RGB (NTSC version):

R = clip(( 298 \times C                + 409 \times E + 128) >> 8)
G = clip(( 298 \times C - 100 \times D - 208 \times E + 128) >> 8)
B = clip(( 298 \times C + 516 \times D                + 128) >> 8)

注意:上述的公式多暗示為YCbCr. 雖然稱為YUV,但應該嚴格區分YUV和YCbCr這兩個專有名詞有時並非完全相同。

ITU-R版本的公式差異:

Y = 0.299 \times R + 0.587 \times G + 0.114 \times B + 0
Cb = -0.169 \times R - 0.331 \times G + 0.499 \times B + 128
Cr = 0.499 \times R - 0.418 \times G - 0.0813 \times B + 128
R = clip(Y + 1.402 \times (Cr - 128))
G = clip(Y - 0.344 \times (Cb - 128) - 0.714 \times (Cr - 128))
B = clip(Y + 1.772 \times (Cb - 128))

ITU-R標準YCbCr(每一通道8位元)至RGB888:

Cr = Cr - 128; Cb = Cb - 128;

R = Y + Cr + Cr>>2 + Cr>>3 + Cr>>5
G = Y - (Cb>>2 + Cb>>4 + Cb>>5) - (Cr>>1 + Cr>>3 + Cr>>4 + Cr>>5)
B = Y + Cb + Cb>>1 + Cb>>2 + Cb>>6

Y'UV422[编辑]

Input:讀取Y'UV的4bytes(u, y1, v, y2)
Output:寫入RGB的6bytes(R, G, B, R, G, B)
u = yuv[0];
y1 = yuv[1];
v = yuv[2];
y2 = yuv[3];


以此一資訊可以剖析出regular Y'UV444格式而成為2 RGB pixels info:

rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);
rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v);

Y'UV422可被表達成Y'UY'2 FourCC格式碼。意思是2 pixels將被定義成each macropixel (four bytes) treated in the image. Yuv422 yuy2.svg

Y'UV411[编辑]

// Extract YUV components
u = yuv[0];
y1 = yuv[1];
y2 = yuv[2];
v = yuv[3];
y3 = yuv[4];
y4 = yuv[5];
rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);
rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v);
rgb3 = Y'UV444toRGB888(y3, u, v);
rgb4 = Y'UV444toRGB888(y4, u, v);

所以結果會得到4 RGB像素的值 (4*3 bytes) from 6 bytes. This means reducing size of transferred data to half and with quite good loss of quality.

YV12[编辑]

The Y'V12的格式相當類似Y'UV420p,但U與V資料反轉:Y'跟隨著V, U殿後。Y'UV420p與Y'V12使用相同演算法。許多重要的編碼器都採用YV12空間存儲視頻:MPEG-4(x264XviDDivX),DVD-Video存儲格式MPEG-2,MPEG-1以及MJPEG。

將Y'UV420p轉換成RGB

Height = 16;
Width = 16;
Y'ArraySize = Height × Width;    //(256)
Y' = Array[7 × Width + 5];
U = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize];
V = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize + Y'ArraySize/4];
RGB = Y'UV444toRGB888(Y', U, V);

註釋[编辑]

  1. ^ Maller, Joe. RGB and YUV Color, FXScript Reference

參見[编辑]

外部連結[编辑]