入門視頻採集與處理（學會分析YUV數據）

時間 2019-11-19

原文原文鏈接

作視頻採集與處理，天然少不了要學會分析YUV數據。由於從採集的角度來講，通常的視頻採集芯片輸出的碼流通常都是YUV數據流的形式，而從視頻處理（例如H.26四、MPEG視頻編解碼）的角度來講，也是在原始YUV碼流進行編碼和解析，因此，瞭解如何分析YUV數據流對於作視頻領域的人而言，相當重要。本文就是根據個人學習和了解，簡單地介紹如何分析YUV數據流。html

YUV，分爲三個份量，「Y」表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；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。數組

與咱們熟知的RGB相似，YUV也是一種顏色編碼方法，主要用於電視系統以及模擬視頻領域，它將亮度信息（Y）與色彩信息（UV）分離，沒有UV信息同樣能夠顯示完整的圖像，只不過是黑白的，這樣的設計很好地解決了彩色電視機與黑白電視的兼容問題。而且，YUV不像RGB那樣要求三個獨立的視頻信號同時傳輸，因此用YUV方式傳送佔用極少的頻寬。ide

好了，言歸正傳，談談如何分析YUV碼流吧。YUV碼流有多種不一樣的格式，要分析YUV碼流，就必須搞清楚你面對的究竟是哪種格式，而且必須搞清楚這種格式的YUV採樣和分佈狀況。下面我將介紹幾種經常使用的YUV碼流格式，供你們參考。學習

1. 採樣方式 優化

YUV碼流的存儲格式其實與其採樣的方式密切相關，主流的採樣方式有三種，YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0，關於其詳細原理，能夠經過網上其它文章瞭解，這裏我想強調的是如何根據其採樣格式來從碼流中還原每一個像素點的YUV值，由於只有正確地還原了每一個像素點的YUV值，才能經過YUV與RGB的轉換公式提取出每一個像素點的RGB值，而後顯示出來。編碼

用三個圖來直觀地表示採集的方式吧，以黑點表示採樣該像素點的Y份量，以空心圓圈表示採用該像素點的UV份量。spa

先記住下面這段話，之後提取每一個像素的YUV份量會用到。設計

 
 
 
 
  
  
  
  YUV 4:4:4採樣，每個Y對應一組UV份量。 
  
  
  
   
  
  
  
  YUV 4:2:2採樣，每兩個Y共用一組UV份量。 
  
  
  
  

  
  
  
  YUV 4:2:0採樣，每四個Y共用一組UV份量。

2. 存儲方式orm

下面我用圖的形式給出常見的YUV碼流的存儲方式，並在存儲方式後面附有取樣每一個像素點的YUV數據的方法，其中，Cb、Cr的含義等同於U、V。視頻

（1） YUVY 格式（屬於YUV422）

YUYV爲YUV422採樣的存儲格式中的一種，相鄰的兩個Y共用其相鄰的兩個Cb、Cr，分析，對於像素點Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均爲 Cb00、Cr00，其餘的像素點的YUV取值依次類推。

（2） UYVY 格式（屬於YUV422）

UYVY格式也是YUV422採樣的存儲格式中的一種，只不過與YUYV不一樣的是UV的排列順序不同而已，還原其每一個像素點的YUV值的方法與上面同樣。

（3） YUV422P（屬於YUV422）

YUV422P也屬於YUV422的一種，它是一種Plane模式，即打包模式，並非將YUV數據交錯存儲，而是先存放全部的Y份量，而後存儲全部的U（Cb）份量，最後存儲全部的V（Cr）份量，如上圖所示。其每個像素點的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法，即兩個Y共用一個UV。好比，對於像素點Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均爲 Cb00、Cr00。

（4）YV12，YU12格式（屬於YUV420）

YU12和YV12屬於YUV420格式，也是一種Plane模式，將Y、U、V份量分別打包，依次存儲。其每個像素點的YUV數據提取遵循YUV420格式的提取方式，即4個Y份量共用一組UV。注意，上圖中，Y'00、Y'0一、Y'十、Y'11共用Cr00、Cb00，其餘依次類推。

（5）NV十二、NV21（屬於YUV420）

NV12和NV21屬於YUV420格式，是一種two-plane模式，即Y和UV分爲兩個Plane，可是UV（CbCr）爲交錯存儲，而不是分爲三個plane。其提取方式與上一種相似，即Y'00、Y'0一、Y'十、Y'11共用Cr00、Cb00

3. 總結

幾種常見的YUV碼流格式就簡單地列在上面了，你們在處理YUV碼流前，先了解清楚本身的碼流到底屬於哪種，而後對應進行處理。

最後，再回答一個疑問，即分析清楚YUV碼流格式了，咱們能夠作什麼？最經常使用的一點就是，提取出全部的Y份量，而後利用vc或者matlab把你採集的圖像的灰度值（Y份量）顯示處理，這樣你就能夠很快地知道你採集的圖像是否有問題了。後面我將繼續寫一些文章講述如何提取、轉換、顯示這些YUV原始碼流，有興趣能夠繼續關注，歡迎留言討論。

from:http://ticktick.blog.51cto.com/823160/555791

=====================================================================================================

概述

　　YUV（亦稱YCrCb）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。其中的Y,U,V幾個字母不是英文單詞的組合詞，Y表明亮度，uv表明色差，u和v是構成彩色的兩個份量。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R－Y（即U）、B－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。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信號份量，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相容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。

優勢做用

　　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）。其中「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GB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信號亮度值之同的差別。

　　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。

　　YUV與RGB相互轉換的公式以下（RGB取值範圍均爲0-255）︰
　　Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
　　U = -0.147R - 0.289G + 0.436B
　　V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
　　R = Y + 1.14V
　　G = Y - 0.39U - 0.58V
　　B = Y + 2.03U

　　在DirectShow中，常見的RGB格式有RGB一、RGB四、RGB八、RGB56五、RGB55五、RGB2四、RGB3二、ARGB32等；常見的YUV格式有YUY二、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y4十一、Y2十一、IF0九、IYUV、YV十二、YVU九、YUV4十一、YUV420等。
　　

YUV主要的採樣格式

　　主要的採樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:二、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， 4 個點須要 8x3=24 bites（以下圖第一個圖）。而如今僅須要 8+(8/4)+(8/4)=12bites, 平均每一個點佔12bites(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。

　　下面八個像素爲：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8]

　　存放的碼流爲：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3

　　Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8

　　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 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7]
　　

各類YUV格式（圖）

　　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。表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介紹各類具體格式時，YUV各份量都會帶有下標，如Y0、U0、V0表示第一個像素的YUV份量，Y一、U一、V1表示第二個像素的YUV份量，以此類推。）

　　¨ YUY2（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的意思爲一個宏像素中有4個Y份量、2個U份量和2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 …

　　¨ YVYU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 …

　　¨ 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 …

　　¨ AYUV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 …

　　¨ 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 …

　　¨ 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 …

　　¨ YVU9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。

　　¨ IYUV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。

　　¨ YUV4十一、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，如上圖所示。

轉載：http://hi.baidu.com/yrworld/blog/item/e6e0a9120a6ca3cbc2fd78e2.html/cmtid/21fa09d8d7a32a3b32fa1cf8