一文讀懂 YUV 的採樣與格式

YUV 是一種顏色編碼方法，和它等同的還有 RGB 顏色編碼方法。

RGB 顏色編碼

RGB 三個字母分別表明了 紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue），這三種顏色稱爲 三原色，將它們以不一樣的比例相加，能夠產生多種多樣的顏色。

在圖像顯示中，一張 1280 * 720 大小的圖片，就表明着它有 1280 * 720 個像素點。其中每個像素點的顏色顯示都採用 RGB 編碼方法，將 RGB 分別取不一樣的值，就會展現不一樣的顏色。

RGB 圖像中，每一個像素點都有紅、綠、藍三個原色，其中每種原色都佔用 8 bit，也就是一個字節，那麼一個像素點也就佔用 24 bit，也就是三個字節。

一張 1280 * 720 大小的圖片，就佔用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存儲空間。

YUV 顏色編碼

YUV 顏色編碼採用的是 明亮度 和 色度 來指定像素的顏色。

其中，Y 表示明亮度（Luminance、Luma），而 U 和 V 表示色度（Chrominance、Chroma）。

而色度又定義了顏色的兩個方面：色調和飽和度。

使用 YUV 顏色編碼表示一幅圖像，它應該下面這樣的：

和 RGB 表示圖像相似，每一個像素點都包含 Y、U、V 份量。可是它的 Y 和 UV 份量是能夠分離的，若是沒有 UV 份量同樣能夠顯示完整的圖像，只不過是黑白的。

對於 YUV 圖像來講，並非每一個像素點都須要包含了 Y、U、V 三個份量，根據不一樣的採樣格式，能夠每一個 Y 份量都對應本身的 UV 份量，也能夠幾個 Y 份量共用 UV 份量。

RGB 到 YUV 的轉換

對於圖像顯示器來講，它是經過 RGB 模型來顯示圖像的，而在傳輸圖像數據時又是使用 YUV 模型，這是由於 YUV 模型能夠節省帶寬。所以就須要採集圖像時將 RGB 模型轉換到 YUV 模型，顯示時再將 YUV 模型轉換爲 RGB 模型。

RGB 到 YUV 的轉換，就是將圖像全部像素點的 R、G、B 份量轉換到 Y、U、V 份量。

有以下公式進行轉換：

此時的轉換結束後，每一個像素點都有完整的 Y、U、V 份量。而以前提到 Y 和 UV 份量是能夠分離的，接下來經過不一樣的採樣方式，能夠將圖像的 Y、U、V 份量從新組合。

接下來的不一樣採樣格式都是在一張圖像全部像素的 RGB 轉換到 YUV 基礎上進行的。

YUV 採樣格式

YUV 圖像的主流採樣方式有以下三種：

• YUV 4:4:4 採樣
• YUV 4:2:2 採樣
• YUV 4:2:0 採樣

YUV 4:4:4 採樣

YUV 4:4:4 採樣，意味着 Y、U、V 三個份量的採樣比例相同，所以在生成的圖像裏，每一個像素的三個份量信息完整，都是 8 bit，也就是一個字節。

以下圖所示：

其中，Y 份量用叉表示，UV 份量用圓圈表示。

舉個例子 ：

假如圖像像素爲：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

那麼採樣的碼流爲：Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 

最後映射出的像素點依舊爲 [Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3] 
複製代碼

能夠看到這種採樣方式的圖像和 RGB 顏色模型的圖像大小是同樣，並無達到節省帶寬的目的，當將 RGB 圖像轉換爲 YUV 圖像時，也是先轉換爲 YUV 4:4:4 採樣的圖像。

YUV 4:2:2 採樣

YUV 4:2:2 採樣，意味着 UV 份量是 Y 份量採樣的一半，Y 份量和 UV 份量按照 2 : 1 的比例採樣。若是水平方向有 10 個像素點，那麼採樣了 10 個 Y 份量，而只採樣了 5 個 UV 份量。

以下圖所示：

其中，Y 份量用叉表示，UV 份量用圓圈表示。

舉個例子 ：
  
 假如圖像像素爲：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

 那麼採樣的碼流爲：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 

 其中，每採樣過一個像素點，都會採樣其 Y 份量，而 U、V 份量就會間隔一個採集一個。

 最後映射出的像素點爲 [Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]
複製代碼

採樣的碼流映射爲像素點，仍是要知足每一個像素點有 Y、U、V 三個份量。可是能夠看到，第一和第二像素點公用了 U0、V1 份量，第三和第四個像素點公用了 U二、V3 份量，這樣就節省了圖像空間。

一張 1280 * 720 大小的圖片，在 YUV 4:2:2 採樣時的大小爲：

（1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.5 * 8 * 2）/ 8 / 1024 / 1024 = 1.76 MB 。

能夠看到 YUV 4:2:2 採樣的圖像比 RGB 模型圖像節省了三分之一的存儲空間，在傳輸時佔用的帶寬也會隨之減小。

YUV 4:2:0 採樣

YUV 4:2:0 採樣，並非指只採樣 U 份量而不採樣 V 份量。而是指，在每一行掃描時，只掃描一種色度份量（U 或者 V），和 Y 份量按照 2 : 1 的方式採樣。好比，第一行掃描時，YU 按照 2 : 1 的方式採樣，那麼第二行掃描時，YV 份量按照 2:1 的方式採樣。對於每一個色度份量來講，它的水平方向和豎直方向的採樣和 Y 份量相比都是 2:1 。

以下圖所示：

其中，Y 份量用叉表示，UV 份量用圓圈表示。

假設第一行掃描了 U 份量，第二行掃描了 V 份量，那麼須要掃描兩行纔可以組成完整的 UV 份量。

舉個例子 ：
 
假設圖像像素爲：
 
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]
 
那麼採樣的碼流爲：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
 
其中，每採樣過一個像素點，都會採樣其 Y 份量，而 U、V 份量就會間隔一行按照 2 : 1 進行採樣。
 
最後映射出的像素點爲：

[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V6]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V8]
複製代碼

從映射出的像素點中能夠看到，四個 Y 份量是共用了一套 UV 份量，並且是按照 2*2 的小方格的形式分佈的，相比 YUV 4:2:2 採樣中兩個 Y 份量共用一套 UV 份量，這樣更可以節省空間。

一張 1280 * 720 大小的圖片，在 YUV 4:2:0 採樣時的大小爲：

（1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.25 * 8 * 2）/ 8 / 1024 / 1024 = 1.32 MB 。

能夠看到 YUV 4:2:0 採樣的圖像比 RGB 模型圖像節省了一半的存儲空間，所以它也是比較主流的採樣方式。

YUV 存儲格式

說完了採樣，接下來就是如何把採樣的數據存儲起來。

YUV 的存儲格式，有兩種：

• planar 平面格式
  • 指先連續存儲全部像素點的 Y 份量，而後存儲 U 份量，最後是 V 份量。
• packed 打包模式
  • 指每一個像素點的 Y、U、V 份量是連續交替存儲的。

根據採樣方式和存儲格式的不一樣，就有了多種 YUV 格式。這些格式主要是基於 YUV 4:2:2 和 YUV 4:2:0 採樣。

常見的基於 YUV 4:2:2 採樣的格式以下表：

YUV 4:2:2 採樣
YUYV 格式
UYVY 格式
YUV 422P 格式

常見的基於 YUV 4:2:0 採樣的格式以下表：

	YUV 4:2:0 採樣	YUV 4:2:0 採樣
YUV 420P 類型	YV12 格式	YU12 格式
YUV 420SP 類型	NV12 格式	NV21 格式

更多的 YUV 格式信息參考這裏：YUV pixel formats

基於 YUV 4:2:2 採樣的格式

YUV 4:2:2 採樣規定了 Y 和 UV 份量按照 2: 1 的比例採樣，兩個 Y 份量公用一組 UV 份量。

YUYV 格式

YUYV 格式是採用打包格式進行存儲的，指每一個像素點都採用 Y 份量，可是每隔一個像素採樣它的 UV 份量，排列順序以下：

Y0 UO Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 份量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 份量....

UYVY 格式

UYVY 格式也是採用打包格式進行存儲，它的順序和 YUYV 相反，先採用 U 份量再採樣 Y 份量，排列順序以下：

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 份量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 份量....

根據 UV 和 Y 的順序還有其餘格式，好比，YVYU 格式，VYUY 格式等等，原理大體同樣了。

YUV 422P 格式

YUV 422P 格式，又叫作 I422，採用的是平面格式進行存儲，先存儲全部的 Y 份量，再存儲全部的 U 份量，再存儲全部的 V 份量。

基於 YUV 4:2:0 採樣的格式

基於 YUV 4:2:0 採樣的格式主要有 YUV 420P 和 YUV 420SP 兩種類型，每一個類型又對應其餘具體格式。

• YUV 420P 類型
  • YU12 格式
  • YV12 格式
• YUV 420SP 類型
  • NV12 格式
  • NV21 格式

YUV 420P 和 YUV 420SP 都是基於 Planar 平面模式 進行存儲的，先存儲全部的 Y 份量後， YUV420P 類型就會先存儲全部的 U 份量或者 V 份量，而 YUV420SP 則是按照 UV 或者 VU 的交替順序進行存儲了，具體查看看下圖：

YUV420SP 的格式：

YUV420P 的格式：

YU12 和 YV12 格式

YU12 和 YV12 格式都屬於 YUV 420P 類型，即先存儲 Y 份量，再存儲 U、V 份量，區別在於：YU12 是先 Y 再 U 後 V，而 YV12 是先 Y 再 V 後 U 。

YV 12 的存儲格式以下圖所示：

YU 12 又稱做 I420 格式，它的存儲格式就是把 V 和 U 反過來了。

NV12 和 NV21 格式

NV12 和 NV21 格式都屬於 YUV420SP 類型。它也是先存儲了 Y 份量，但接下來並非再存儲全部的 U 或者 V 份量，而是把 UV 份量交替連續存儲。

NV12 是 IOS 中有的模式，它的存儲順序是先存 Y 份量，再 UV 進行交替存儲。

NV21 是 安卓 中有的模式，它的存儲順序是先存 Y 份量，在 VU 交替存儲。

小結

以上就是關於 YUV 的知識總結，你有看明白了嘛？

參考

1. blog.csdn.net/grow_mature…
2. www.cnblogs.com/azraelly/ar…
3. blog.csdn.net/MrJonathan/…
4. blog.csdn.net/wudebao5220…
5. msdn.microsoft.com/zh-cn/libra…
6. www.fourcc.org/yuv.php

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