YUV to RGB

時間  2019-11-08
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YUV

YUV 是一種顏色編碼方法，Y 表明明亮度，U 和 V 則是色度。YUV 是一類顏色編碼方法的統稱，如 YUV、Y`UV、YCbCr、YPbPr 等專有名詞均可以稱爲 YUV。數組

歷史

Y'UV 的發明是因爲黑白電視到彩色電視的過渡時期。黑白視頻只有 Y 數據，也就是灰階值，到了彩色電視時期，增長了 UV 表示圖像的色度（U 表明藍色通道與亮度的差值，V 表明紅色通道與亮度的差值），若是忽略了 UV，那麼剩下的 Y 信號就與以前的黑白電視表現一致，這樣便解決了黑白電視和彩色電視的兼容問題。ide

RGB 訴求於人眼對色彩的感應，YUV 則着重於視覺對於亮度的敏感程度。所以 YUV 能夠經過下降色度的採樣率來減小帶寬而不會對圖像產生大的影響。優化

YUV Formats

YUV 格式一般有兩類：編碼

  • packed formats：打包格式，每一個像素點的 Y、U、V 混合在一塊兒存放，相似 RGB 的存放方式。
  • planar formats：平面格式，將一幀圖像的 Y、U、V 以獨立的平面組織，存放在不一樣的數組中。

根據不一樣的採樣方式分爲 YUV4:4:四、YUV4:2:二、YUV4:2:0、YUV4:1:1 等，表明 Y:U:V。orm

  • YUV4:4:4 表示完整採樣，保持了 UV 份量的完整信息。
  • YUV4:2:2 表示色度份量具備 2:1的水平採樣，垂直徹底採樣。
  • YUV4:2:0 表示色度份量具備 2:1的水平採樣，2:1的垂直採樣，YUV4:2:0 並非指只有 U，沒有 V，而是對於每一行，只有一個 U 或者 V 份量，若是第一行是 4:2:0，那麼下一行就是 4:0:2，以此類推。
  • YUV4:1:1 表示色度份量具備 4:1的水平採樣，垂直徹底採樣。

常見的 YUV 存儲方式

YUV420P: I420/YU12/YV12

YUV420P 屬於 YUV4:2:0 採樣，是一種 Plane 模式，將 Y、U、V 份量分別打包，依次存儲。YU12 與 I420 相同，而 YV12 與 YU12 的區別僅僅是 UV 順序不一樣。視頻

在 I420/YU12 格式中，是以 Y平面-> U 平面-> V 平面的方式排列的，即 YUV；YV12 則相反，以 Y平面-> V 平面-> U 平面的方式排列，即 YVU。ip

排列舉例：get

  • I420/YU12：
    • 2*2圖像 YYYYUV
    • 4*4圖像 YYYYYYYYYYYYYYYYUUUUVVVV
  • YV12：
    • 2*2圖像 YYYYVU
    • 4*4圖像 YYYYYYYYYYYYYYYYVVVVUUUU

YU12 取名錶明 Y 後面緊跟 U，YV12 則相反，12 表明它位深 12，在 2*2 圖像中，一共四個像素點，佔用 6 個字節，則每一個像素佔用空間 12 bit。it

YUV420SP: NV12/NV21

YUV420P 屬於 YUV4:2:0 採樣，是一種 Two-Plane 模式，即 Y 和 UV 分爲兩個平面，UV 爲交錯存儲。NV12 和 NV21 相似，區別僅是 UV 順序不一樣。io

在 NV12 格式中，是以 Y平面-> UV平面（以 UV 的方式交錯存儲）；NV21 則相反，以 Y平面-> UV平面（以 VU 的方式交錯存儲）。

排列舉例：

  • NV12：
    • 2*2圖像 YYYYUV
    • 4*4圖像 YYYYYYYYYYYYYYYYUVUVUVUV
  • NV21：
    • 2*2圖像 YYYYVU
    • 4*4圖像 YYYYYYYYYYYYYYYYVUVUVUVU

YUV 和 RGB 的轉換

首先說下 YCbCr，YCbCr 是被 ITU 定義在標準 ITU-R BT.601（標清）、ITU-R BT.709（高清）、ITU-R BT.2020（超高清）中的一種色彩空間， 是一種針對 RGB 所作的編碼，是 YUV 壓縮和偏移的版本，YCbCr 一般用於視頻和圖像壓縮和傳輸，在視頻編解碼中的"YUV 圖像"指的就是 YCbCr。

對於 YCbCr 和 RGB 的轉換來講，不一樣的標準有不一樣的方式，而且有時候須要區分 Video Range[16-235] 和 Full Range[0-255]。

爲方便計算機運算和優化，下列提供定點化後的公式，默認使用 ITU-R BT.601 Video Range。

ITU-R BT.601 標準：

  • RGB 轉 YCbCr (Video Range):
\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 16 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.257 & 0.504 & 0.098 \\ -0.148 & -0.291 & 0.439 \\ 0.439 & -0.368 & -0.071 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} Y =& 16 + ((66 * R + 129 * G + 25 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-38 * R - 74 * G + 112 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((112 * R - 94 * G - 18 * B + 128)>>8) \end{align}
  • YCbCr 轉 RGB (Video Range):
\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.164 & 0.000 & 1.596 \\ 1.164 & -0.392 & -0.813 \\ 1.164 & 2.017 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} (Y-16) \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} &限制範圍[0，255] \\ &R = (298 * (Y - 16) + 409 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (298 * (Y - 16) - 100 * (Cb -128) - 208 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (298 * (Y - 16) + 516 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{align}
  • RGB 轉 YCbCr (Full Range):
\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 0 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.299 & 0.587 & 0.114 \\ -0.169 & -0.331 & 0.500 \\ 0.500 & -0.419 & -0.0813 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} Y =& ((77 * R + 150 * G + 29 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-43 * R - 85 * G + 128 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((128 * R - 107 * G - 21 * B + 128)>>8) \end{align}
  • YCbCr 轉 RGB (Full Range):
\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.000 & 0.000 & 1.402 \\ 1.000 & -0.344 & 0.714 \\ 1.000 & 1.772 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} Y \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} &限制範圍[0，255] \\ &R = (Y + 359 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (Y - 88 * (Cb -128) + 183 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (Y + 454 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{align}

ITU-R BT.709 標準：

  • RGB 轉 YCbCr (Video Range):
\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 16 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.183 & 0.614 & 0.062 \\ -0.101 & -0.339 & 0.439 \\ 0.439 & -0.399 & -0.040 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} Y =& 16 + ((47 * R + 157 * G + 16 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-26 * R - 87 * G + 112 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((112 * R - 102 * G - 10 * B + 128)>>8) \end{align}
  • YCbCr 轉 RGB (Video Range):
\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.164 & 0.000 & 1.793 \\ 1.164 & -0.213 & -0.534 \\ 1.164 & 2.112 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} (Y-16) \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} &限制範圍[0，255] \\ &R = (298 * (Y - 16) + 459 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (298 * (Y - 16) - 55 * (Cb -128) - 137 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (298 * (Y - 16) + 541 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{align}
  • RGB 轉 YCbCr (Full Range):
\begin{bmatrix} Y \\ Cb \\ Cr \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 0 \\ 128 \\ 128 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 0.213 & 0.715 & 0.072 \\ -0.117 & -0.394 & 0.511 \\ 0.511 & -0.464 & -0.047 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} Y =& ((55 * R + 183 * G + 19 * B + 128)>>8) \\ Cb =& 128 + ((-30 * R - 101 * G + 130 * B + 128)>>8) \\ Cr =& 128 + ((130 * R - 119 * G - 12 * B + 128)>>8) \end{align}
  • YCbCr 轉 RGB (Full Range):
\begin{bmatrix} R \\ G \\ B \end{bmatrix}= \begin{bmatrix} 1.000 & 0.000 & 1.540 \\ 1.000 & -0.183 & -0.459 \\ 1.000 & 1.816 & 0.000 \end{bmatrix}* \begin{bmatrix} Y \\ (Cb-128) \\ (Cr-128) \end{bmatrix}

​ 定點化後：

\begin{align} &限制範圍[0，255] \\ &R = (Y + 394 * (Cr -128) + 128) >> 8 \\ &G = (Y - 47 * (Cb -128) - 118 * (Cr - 128) + 128) >> 8 \\ &B = (Y + 465 * (Cb -128) + 128)>>8 \end{align}

參考

en.wikipedia.org/wiki/YUV

en.wikipedia.org/wiki/YCbCr

zhuanlan.zhihu.com/p/28766366

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