YUV色彩空间变换与采样格式

YUV实际上是一个家族, 除了YUV色彩空间外还有其他色彩空间, 如YIQ, YCbCr , YDbDr (YDbDr主要用于模拟信号)等，都是用于描述灰度和色差概念的。由于这些色彩空间与YUV 色彩空间极为类似, 虽然各不相同, 但习惯上仍称为YUV。由于人眼对亮度差异的敏感程度大于颜色差异的视觉特性,可以实现对 YUV存储数据进行采样压缩, 从而方便传输和处理。主要的采样格式有YUV444、YUV422、YUV420和YUV411。本文主要从YUV色彩空间和采样格式详细论述。

YUV色彩空间

YUV色彩空间是一种基本的色彩空间, 用于PAL制和SECAM彩色电视制式，Y是指明视度, 即亮度( 实际上代表灰度值), 而U 和V 则是指色调，即描述图像色彩饱和度的属性。

YIQ色彩空间是从YUV色彩空间衍生而来的, 被北美电视系统所采用, 被NTSC选作为复合色彩视频标准。Y也是指颜色的明视度,即灰度。而I代表In-Phase(同相),Q代表Quadrature(积分), 它们表示了一种传输色彩信息的调制方法, 实际上也指色调, 只是与YUV略有不同。

YCrCb色彩空间则是在世界数字组件视频标准研制过程中作为ITU一RBT.601建议的一部分, 其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV 中的Y含义一致, CbCr 同样都指色彩, 只是在表示方法上不同而已。在YUV家族中,YCbCr 是在计算机系统中应用最多的成员, 其应用领域很广泛,JPEG、MPEG均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。

YDbDr色彩空间被用作SECAM复合色彩视频的标准。同样,Y指颜色的明视度即灰度, 而DbDr表示颜色信息。它主要用于模拟信号, 在表示方法上与YUV稍有不同。

YUV与RGB空间的相互变换

YCrCb与RGB的彩色空间变换关系也有:

（9）

（10）

这个(9)(10)RGB分别在取值范围为[0,255]的时候，对应的YUV值域范围Y,U，V~[0,255]

（7）和（8）RGB分别在取值范围为[0,255]的时候，对应的YUV值域范围Y~[16,235]，U ~[16-240]，V~[16-240]。

（7）（8）与（9）（10）区别是：量化与非量化的区别。

为防止搬运出错，将其原文公式截图附在上面以供查阅,使用时候注意小数点。论文在下面。自行补上哈。。。

YUV采样格式

YUV采样格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、 YUV444、YUV422、YUV420和YUV411等等。主要采样格式有：YUV444、YUV422、YUV420和YUV411。如何根据其采样格式从码流中还原每个像素点的YUV值，只有正确地还原了每个像素点的YUV值，才能通过YUV与RGB的转换公式提取出每个像素点的RGB值，然后显示出来。这边主要介绍主流的采样格式，简介如下。

(1) YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。

(2) YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。

(3) YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

(3) YUV 4:1:1采样，每四个Y共用一组UV分量。

	格式	存放的码流为：
主流采样方式	YUV444	Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3
	YUV422	[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1]
	YUV420	Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3
	YUV411	Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

YUV码流的内存存储格式

YUV码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关，YUV的内存存储格式通常有两大类：打包(Packed)格式和平面（Planar）格式。

对于Planar的YUV格式，先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V。

对于Packed的YUV格式，每个像素点的Y,U,V是连续交错存储的。

结合YUV采样格式对存储格式简单举例：

（1） YUVY 格式（属于YUV422）

YUYV为YUV422采样的存储格式中的一种，相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr，分析，对于像素点Y00、Y01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00，其他的像素点的YUV取值依次类推。

（2） UYVY 格式（属于YUV422）

UYVY格式也是YUV422采样的存储格式中的一种，只不过与YUYV不同的是UV的排列顺序不一样而已，还原其每个像素点的YUV值的方法与上面一样。

（3） YUV422P（属于YUV422）

YUV422P也属于YUV422的一种，它是一种Plane模式，即平面模式，并不是将YUV数据交错存储，而是先存放所有的Y分量，然后存储所有的U（Cb）分量，最后存储所有的V（Cr）分量。其每一个像素点的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法，即两个Y共用一个UV。比如，对于像素点Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00。

（4）YV12，YU12格式（属于YUV420）

YU12和YV12属于YUV420格式，也是一种Plane模式，将Y、U、V分量分别打包，依次存储。其每一个像素点的YUV数据提取遵循YUV420格式的提取方式，即4个Y分量共用一组UV。注意，上图中，Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00，其他依次类推。

（5）NV12、NV21（属于YUV420）

　NV12和NV21属于YUV420格式，是一种two-plane模式，即Y和UV分为两个Plane，但是UV（CbCr）为交错存储，而不是分为三个plane。其提取方式与上一种类似，即Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00。

总结与思考

RGB转YUV：通常是RGB转YCbCr这个公式。注意这里也有量化和非量化的区别

YUV转RGB：通常是需要结合图像YUV码流的内存存储格式。不确定的是YUV码流的内存存储格式是根据什么确定下来的。

参考文献

[1] 向方明,朱遵义,许敬,崔业兵.YUV到RGB颜色空间转换算法研究[J].现代电子技术,2012,35(22):65-68.

[2] 刘云粼,王树东.基于SSE2的YUV与RGB色彩空间转换[J].中国图象图形学报,2010,15(01):45-49.

[3] 邵丹,韩家伟.YUV与RGB之间的转换[J].长春大学学报,2004(04):51-53.

[4] 沈俊,葛燧和.计算机系统中的YUV[J].计算机工程,2000(01):94-96.

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