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YUV

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

YUV,是一种颜色编码方法。常使用在各个影像处理组件中。 YUV在对照片或影片编码时,考虑到人类的感知能力,允许降低色度的带宽。

YUV是编译true-color颜色空间(color space)的种类,Y'UV, YUV, YCbCrYPbPr等专有名词都可以称为YUV,彼此有重叠。“Y”表示明亮度(Luminance、Luma),“U”和“V”则是色度浓度(Chrominance、Chroma),

Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr所指涉的范围,常有混淆或重叠的情况。从历史的演变来说,其中YUV和Y'UV通常用来编码电视的模拟信号,而YCbCr则是用来描述数字的影像信号,适合影片与图片压缩以及传输,例如MPEG、JPEG。 但在现今,YUV通常已经在电脑系统上广泛使用。

Y'代表明亮度(luma; brightness)而U与V存储色度(色讯; chrominance; color)部分; 亮度(luminance)记作Y,而Y'的prime符号记作伽玛校正。

YUV Formats分成两个格式:

  • 紧缩格式(packed formats):将Y、U、V值存储成Macro Pixels数组,和RGB的存放方式类似。
  • 平面格式(planar formats):将Y、U、V的三个分量分别存放在不同的矩阵中。

紧缩格式(packed format)中的YUV是混合在一起的,对于YUV4:4:4格式而言,用紧缩格式很合适的,因此就有了UYVY、YUYV等。平面格式(planar formats)是指每Y分量,U分量和V分量都是以独立的平面组织的,也就是说所有的U分量必须在Y分量后面,而V分量在所有的U分量后面,此一格式适用于采样(subsample)。平面格式(planar format)有I420(4:2:0)、YV12、IYUV等。

历史[编辑]

图像中的Y', U,和V组成

Y'UV的发明是由于彩色电视黑白电视的过渡时期[1]。黑白视频只有Y(Luma,Luminance)视频,也就是灰阶值。到了彩色电视规格的制定,是以YUV/YIQ的格式来处理彩色电视图像,把UV视作表示彩度的C(Chrominance或Chroma),如果忽略C信号,那么剩下的Y(Luma)信号就跟之前的黑白电视频号相同,这样一来便解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。Y'UV最大的优点在于只需占用极少的带宽。

因为UV分别代表不同颜色信号,所以直接使用R与B信号表示色度的UV。 也就是说UV信号告诉了电视要偏移某象素的的颜色,而不改变其亮度。 或者UV信号告诉了显示器使得某个颜色亮度依某个基准偏移。 UV的值越高,代表该像素会有更饱和的颜色。

彩色图像记录的格式,常见的有RGB、YUV、CMYK等。彩色电视最早的构想是使用RGB三原色来同时传输。这种设计方式是原来黑白带宽的3倍,在当时并不是很好的设计。RGB诉求于人眼对色彩的感应,YUV则着重于视觉对于亮度的敏感程度,Y代表的是亮度,UV代表的是彩度(因此黑白电影可省略UV,相近于RGB),分别用Cr和Cb来表示,因此YUV的记录通常以Y:UV的格式呈现。

常用的YUV格式[编辑]

为节省带宽起见,大多数YUV格式平均使用的每像素位数都少于24位。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的表示法称为A:B:C表示法:

  • 4:4:4表示完全取样。
  • 4:2:2表示2:1的水平取样,垂直完全采样。
  • 4:2:0表示2:1的水平取样,垂直2:1采样。
  • 4:1:1表示4:1的水平取样,垂直完全采样。

最常用Y:UV记录的比重通常1:1或2:1,DVD-Video是以YUV 4:2:0的方式记录,也就是我们俗称的I420,YUV4:2:0并不是说只有U(即Cb), V(即Cr)一定为0,而是指U:V互相援引,时见时隐,也就是说对于每一个行,只有一个U或者V分量,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。至于其他常见的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)格式为像素保留Y,而UV在水平空间上相隔二个像素采样一次(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类似,只是排列顺序有所不同。Y211格式是Y每2个像素采样一次,而UV每4个像素采样一次。AYUV格式则有一Alpha通道。

YV12[编辑]

YV12格式与IYUV类似,每个像素都提取Y,在UV提取时,将图像2 x 2的矩阵,每个矩阵提取一个U和一个V。YV12格式和I420格式的不同处在V平面和U平面的位置不同。在YV12格式中,V平面紧跟在Y平面之后,然后才是U平面(即:YVU);但I420则是相反(即:YUV)。NV12与YV12类似,效果一样,YV12中U和V是连续排列的,而在NV12中,U和V就交错排列的。

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

转换[编辑]

YUV与RGB的转换公式:

U和V组件可以被表示成原始的R,G,和B(R,G,B为γ预校正后的):

如一般顺序,转移组件的范围可得到:

在逆转关系上,从YUV到RGB,可得

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

YUV转RGB[编辑]

function RGB* YUV444toRGB888(Y, U, V);将YUV format移转成简单的RGB format并可以用浮点运算实现:

Y'UV444[编辑]

大多数YUV格式平均使用的每像素位数都少于24位。YUV444是最逼真的格式,一格不删(24 bits),即每4个Y,配上4个U,还有4个V;YUV422则是在UV格式上减半,即每4个Y,配2个U,2个V;YUV420则是在UV上减至1/4之格式,即每4个Y,配1个U,再配1个V。

这些公式是基于NTSC standard;

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

使用前面的系数并且用clip()注明切割的值域是0至255,如下的公式是从Y'UV到RGB (NTSC version):

注意:上述的公式多暗示为YCbCr. 虽然称为YUV,但应该严格区分YUV和YCbCr这两个专有名词有时并非完全相同。

ITU-R版本的公式差异:

ITU-R标准YCbCr(每一通道8位)至RGB888:

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

Y'UV422[编辑]

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


以此一信息可以剖析出regular Y'UV444格式而成为2 RGB pixels info:

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

Y'UV422可被表达成Y'UY'2 FourCC格式码。意思是2 pixels将被定义成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);

所以结果会得到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的格式相当类似Y'UV420p,但U与V数据反转:Y'跟随着V, U殿后。Y'UV420p与Y'V12使用相同算法。许多重要的编码器都采用YV12空间存储视频:MPEG-4(x264XviDDivX),DVD-Video存储格式MPEG-2,MPEG-1以及MJPEG。

将Y'UV420p转换成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);

注释[编辑]

  1. ^ Maller, Joe. RGB and YUV Color 互联网档案馆存档,存档日期2008-02-24., FXScript Reference

参见[编辑]

外部链接[编辑]