多媒體編程基礎之RGB和YUV

時間 2019-12-14

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1、概念html

　　1.什麼是RGB？數組

　　對一種顏色進行編碼的方法統稱爲「顏色空間」或「色域」。用最簡單的話說，世界上任何一種顏色的「顏色空間」均可定義成一個固定的數字或變量。RGB（紅、綠、藍）只是衆多顏色空間的一種。採用這種編碼方法，每種顏色均可用三個變量來表示-紅色綠色以及藍色的強度。記錄及顯示彩色圖像時，RGB是最多見的一種方案。函數

　　2.什麼是YUV？優化

　　YUV是被歐洲電視系統所採用的一種顏色編碼方法（屬於PAL），是PAL和SECAM模擬彩色電視制式採用的顏色空間。編碼

　　在現代彩色電視系統中，一般採用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，而後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校訂後獲得RGB，再通過矩陣變換電路獲得亮度信號Y和兩個色差信號B－Y（即U）、R－Y（即V），最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。url

　　因而可知，RGB和YUV都屬於顏色空間（或者叫「色彩空間」），若是不清楚色彩空間的概念，能夠訪問個人另外一篇博客：http://www.cnblogs.com/1992monkey/p/5911332.htmlspa

2、RGB和YUV的優缺點設計

　　1.RGB缺少與早期黑白顯示系統的良好兼容性。所以，許多電子電器廠商廣泛採用的作法是，將RGB轉換成YUV顏色空間，以維持兼容，再根據須要換回RGB格式，以便在電腦顯示器上顯示彩色圖形。視頻

　　2.YUV主要用於優化彩色視頻信號的傳輸，使其向後相容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優勢在於只需佔用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸）。htm

　　3.採用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。若是隻有Y信號份量而沒有U、V份量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用YUV空間正是爲了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。

3、YUV和RGB的實現原理

　　1.RGB是從顏色發光的原理來設計定的，通俗點說它的顏色混合方式就好像有紅、綠、藍三盞燈，當它們的光相互疊合的時候，色彩相混，而亮度卻等於二者亮度之總和，越混合亮度越高，即加法混合。

紅、綠、藍三盞燈的疊加狀況，中心三色最亮的疊加區爲白色，加法混合的特色：越疊加越明亮。

紅、綠、藍三個顏色通道每種色各分爲256階亮度，在0時「燈」最弱——是關掉的，而在255時「燈」最亮。當三色灰度數值相同時，產生不一樣灰度值的灰色調，即三色灰度都爲0時，是最暗的黑色調；三色灰度都爲255時，是最亮的白色調。

RGB 顏色稱爲加成色，由於您經過將 R、G 和 B 添加在一塊兒（即全部光線反射回眼睛）可產生白色。加成色用於照明光、電視和計算機顯示器。例如，顯示器經過紅色、綠色和藍色熒光粉發射光線產生顏色。絕大多數可視光譜均可表示爲紅、綠、藍 (RGB) 三色光在不一樣比例和強度上的混合。這些顏色若發生重疊，則產生青、洋紅和黃。

　　2.在YUV中，「Y」表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而「U」和「V」表示的則是色度（Chrominance或Chroma），做用是描述影像色彩及飽和度，用於指定像素的顏色。「亮度」是透過RGB輸入信號來創建的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一塊兒。「色度」則定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差別。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差別。

4、RGB和YUV的格式

　　1.RGB的格式

　　①網頁格式

　　②RGB555

　　③RGB565

　　④RGB24

　　⑤RGB32

　　2.YUV格式

　　YUV格式一般有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者將YUV份量存放在同一個數組中，一般是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；然後者使用三個數組分開存放YUV三個份量，就像是一個三維平面同樣。

　　①YUY2（和YUYV）格式爲每一個像素保留Y份量，而UV份量在水平方向上每兩個像素採樣一次。一個宏像素爲4個字節，實際表示2個像素。（4:2:2的意思其實是一個宏像素中有2個Y份量、1個U份量和1個V份量。）圖像數據中YUV份量排列順序以下：

　　Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …

　　②YVYU格式跟YUY2相似，只是圖像數據中YUV份量的排列順序有所不一樣：

　　Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …

　　③ UYVY格式跟YUY2相似，只是圖像數據中YUV份量的排列順序有所不一樣：

　　U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …

　　④AYUV格式帶有一個Alpha通道，而且爲每一個像素都提取YUV份量，圖像數據格式以下：

　　A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …

　　⑤ Y41P（和Y411）格式爲每一個像素保留Y份量，而UV份量在水平方向上每4個像素採樣一次。一個宏像素爲12個字節，實際表示8個像素。圖像數據中YUV份量排列順序以下：

　　U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y8 …

　　⑥ Y211格式在水平方向上Y份量每2個像素採樣一次，而UV份量每4個像素採樣一次。一個宏像素爲4個字節，實際表示4個像素。圖像數據中YUV份量排列順序以下：

　　Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …

　　⑦YVU9格式爲每一個像素都提取Y份量，而在UV份量的提取時，首先將圖像分紅若干個4 x 4的宏塊，而後每一個宏塊提取一個U份量和一個V份量。圖像數據存儲時，首先是整幅圖像的Y份量數組，而後就跟着U份量數組，以及V份量數組。IF09格式與YVU9相似。

　　⑧IYUV格式爲每一個像素都提取Y份量，而在UV份量的提取時，首先將圖像分紅若干個2 x 2的宏塊，而後每一個宏塊提取一個U份量和一個V份量。YV12格式與IYUV相似。

　　⑨YUV411、YUV420格式多見於DV數據中，前者用於NTSC制，後者用於PAL制。YUV411爲每一個像素都提取Y份量，而UV份量在水平方向上每4個像素採樣一次。YUV420並不是V份量採樣爲0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提升一倍色差採樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減少一半色差採樣。

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

5、RGB和YUV轉換

　　對於數字視頻，定義了從 RGB 到兩個主要 YUV 的轉換。這兩個轉換都基於稱爲 ITU-R Recommendation BT.709 的規範。

　　第一個轉換是 BT.709 中定義用於 50-Hz 的較早的 YUV 格式。它與在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的關係相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被稱爲它的舊名稱 CCIR 601。這種格式應該被視爲用於標準定義 TV分辨率(720 x 576) 和更低分辨率視頻的首選 YUV 格式。它的特徵由下面兩個常量 Kr 和 Kb 的值來定義：

　　Kr = 0.299

　　Kb = 0.114

　　第二個轉換爲 BT.709 中定義用於 60-Hz 的較新 YUV 格式，應該被視爲用於高於 SDTV 的視頻分辨率的首選格式。它的特徵由下面兩個不一樣的常量值來定義：

　　Kr = 0.2126

　　Kb = 0.0722

　　從 RGB 到 YUV 轉換的定義如下列內容開始：L = Kr * R + Kb * B + (1 – Kr – Kb) * G而後，按照下列方式得到 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 爲每一個 YUV 樣例的位數 (M >= 8)。

　　Z 爲黑電平變量。對於計算機RGB，Z 等於 0。對於 studio視頻RGB，Z 等於 16*2，其中 N 爲每一個 RGB樣例的位數 (N >= 8)。S 爲縮放變量。對於計算機RGB，S 等於 255。對於 studio視頻RGB，S 等於 219*2。

　　函數floor(x) 返回大於或等於 x 的最大整數。函數clip3(x, y, z) 的定義以下所示：

　　clip3(x, y, z) = ((z < x) ? x : ((z > y) ? y : z))Y 樣例表示亮度，U 和 V 樣例分別表示偏向藍色和紅色的顏色誤差。Y 的標稱範圍爲 16*2 到 235*2 。黑色表示爲 16*2 ，白色表示爲 235*2 。U 和 V 的標稱範圍爲 16*2 到 240*2 ，值 128*2 表示中性色度。可是，實際的值可能不在這些範圍以內。

　　對於 studio 視頻 RGB 形式的輸入數據，要使得 U 和 V 值保持在 0 到 2M-1 範圍以內，必需進行剪輯操做。若是輸入爲計算機RGB，則不須要剪輯操做，這是由於轉換公式不會生成超出此範圍的值。

　　這些都是精確的公式，沒有近似值。

6、YUV的採樣格式

　　YUV的主要採樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。

　　其中YCbCr 4:1:1 比較經常使用，其含義爲：每一個點保存一個 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 個點保存一個 Cr 和Cb 值,圖像在肉眼中的感受不會起太大的變化。因此，原來用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1個點須要 8x3=24 bits（以下圖第一個圖），（全採樣後，YUV仍各佔8bit）。按4:1:1採樣後，而如今平均僅須要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4個點，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每一個點佔12bits(以下圖第二個圖)。這樣就把圖像的數據壓縮了一半。

　　上邊僅給出了理論上的示例，在實際數據存儲中是有多是不一樣的，下面給出幾種具體的存儲形式：

　　（1） YUV 4:4:4

　　YUV三個信道的抽樣率相同，所以在生成的圖像裏，每一個象素的三個份量信息完整（每一個份量一般8比特），通過8比特量化以後，未經壓縮的每一個像素佔用3個字節。

　　下面的四個像素爲: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的碼流爲: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

　　（2） YUV 4:2:2

　　每一個色差信道的抽樣率是亮度信道的一半，因此水平方向的色度抽樣率只是4:4:4的一半。對非壓縮的8比特量化的圖像來講，每一個由兩個水平方向相鄰的像素組成的宏像素須要佔用4字節內存。

　　下面的四個像素爲：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的碼流爲：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

　　映射出像素點爲：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

　　（3） YUV 4:1:1

　　4:1:1的色度抽樣，是在水平方向上對色度進行4:1抽樣。對於低端用戶和消費類產品這仍然是能夠接受的。對非壓縮的8比特量化的視頻來講，每一個由4個水平方向相鄰的像素組成的宏像素須要佔用6字節內存。

　　下面的四個像素爲: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的碼流爲: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

　　映射出像素點爲：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

　　（4）YUV4:2:0

　　4:2:0並不意味着只有Y，Cb而沒有Cr份量。它指得是對每行掃描線來講，只有一種色度份量以2:1的抽樣率存儲。相鄰的掃描行存儲不一樣的色度份量，也就是說，若是一行是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。對每一個色度份量來講，水平方向和豎直方向的抽樣率都是2:1，因此能夠說色度的抽樣率是4:1。對非壓縮的8比特量化的視頻來講，每一個由2x2個2行2列相鄰的像素組成的宏像素須要佔用6字節內存。