视频图像格式YUV详解

一简介

YUV 是一种表示颜色的模型。基于人类眼睛对亮度高度敏感、对颜色敏感度低于亮度的生理特征 YUV在对照片或视频编码时完整保存像素的亮度分量（Y）,根据不同要求采样保存UV分量。

根据历史的演进，YUV的发明是由于彩色电视与黑白电视的过渡时期。黑白视频只有Y（Luma，Luminance）视频，也就是灰阶值。到了彩色电视规格的制定，是以YUV/YIQ的格式来处理彩色电视图像。

YUV是编译true-color颜色空间（color space）的种类，Y'UV, YUV, YCbCr，YPbPr等专有名词都可以称为YUV，彼此有重叠。

YUV和Y'UV通常用来编码电视的模拟信号，而YCbCr则是用来描述视频的数字信号，适合视频与图片压缩以及传输，例如MPEG、JPEG。但在现今，YUV通常已经在电脑系统上广泛使用。

二理解亮度敏感

什么是亮度敏感？只有理解了亮度敏感，我们才能更好的理解YUV。先看如下图：

上图是一张纯黑的图片，对于眼睛来说是没有亮度可言的。而下图：

可以明显看到图中白色的“二”字，因为“二”字的亮度明显高于周围，所以我们很清晰的看到这个字。再看下图：

上图中可以很清晰的看到一个小人和一个三角形、正方形。小人是白色的，三角形和正方形是浅灰色的，但是相对于小人，你是不是对三角形和正方形的颜色分辨的不太清晰，相信我稍微加重或者减轻浅灰色，你都不太能感觉出来，但你能明显的感觉的它们是什么形状，黑白电视也是由此受到启发的。

到这里我们就知道了什么是亮度，而且明白我们的眼睛确实是对亮度很敏感。而YUV中的Y就是指黑白的图画，UV就是颜色。一张色彩艳丽的图如果存储成YUV数据的话，Y就是这张图的黑白照，UV就是把它涂上颜色；因此我们完全可以抛弃掉UV，只保留Y，那样就是看这张图的黑白照而已~

三 YUV的采样和存储

由于人眼对 Y 的敏感度远超于对 U 和 V 的敏感，所以有时候可以多个 Y 分量共用一组 UV，这样既可以极大得节省空间，又可以不太损失质量。因此才会出现YUV 420，YUV 422，YUV 444的格式。

其实图像最开始是用到在电视上的，所以我们可以用电视做为想象和参考，电视以前都是电子仪扫描，所以我们首先要明白什么是扫描线，

什么是扫描线？这是关于电视显示的术语，用来描述电视是如何显示画面的。wiki中是这么解释的：

电视萤幕由电子枪射出的电子，经由磁场偏向后打在屏幕上而发光，因此每一个图框都由电子枪的扫描线画出来。
电子枪的扫描线从左上角像素点到右下角像素点顺序移动，喷射电子显像。

再来说回YUV，因为UV分别代表不同颜色信号，所以直接使用R与B信号表示色度的UV。也就是说UV信号告诉了电视要偏移某象素的颜色，而不改变其亮度。或者UV信号告诉了显示器使得某个颜色亮度依某个基准偏移。 UV的值越高，代表该像素会有更饱和的颜色。

彩色图像记录的格式，常见的有RGB、YUV、CMYK等。 彩色电视最早的构想是使用RGB三原色来同时传输。这种设计方式是原来黑白带宽的3倍，在当时并不是很好的设计。RGB诉求于人眼对色彩的感应，YUV则着重于视觉对于亮度的敏感程度，Y代表的是亮度，UV代表的是彩度（因此黑白电影可省略UV，相近于RGB），分别用Cr和Cb来表示，因此YUV的记录通常以Y:UV的格式呈现。

采样通常用3部分的比例表示J:a:b（例如4:2:2）。如果有alpha通道，也用4个数的比例（例如4:2:2:4）。

概念上来说，我们考虑的是J个像素宽，2个像素高的区域。

J: 水平采样的参考，也可以说是宽度，通常是4（因为最小宏像素是4个Y共享一个uv,所以取4）
a: 第一行J个像素的色度个数（Cr, Cb）
b: 第一行和第二行有差别的色度个数（Cr, Cb）。注意b的值通常为0或者等于a。
主流的采样方式有三种：YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0
可以看到4:4:4格式的亮度、色度采样分布。就像图中所表示的，画面中每个象素都有与之对应的色度和亮度采样信息。

其次就是4:2:2，就是说，每4点Y采样，就有2点Cb和2点Cr。在这种格式中，色度信号的扫描线数量和亮度信号一样多，但是每条扫描线上的色度采样点数却只有亮度信号的一半。当4:2:2信号被解码的时候，“缺失”的色度采样，通常由一定的内插补点算法通过它两侧的色度信息运算补充。
再看4:2:2格式亮度、色度采样的分布情况。在这里，每个象素都有与之对应的亮度采样，同时一半的色度采样被丢弃，所以我们看到，色度采样信号每隔一个采样点才有一个。当着张画面显示的时候，缺少的色度信息会由两侧的颜色通过内插补点的方式运算得到。就像上面提到的那样，人眼对色度的敏感程度不如亮度，大多数人并不能分辨出4:2:2和4:4:4颜色构成的画面之间的不同。
色度信号分辨率最低的格式，也就是DVD所使用的格式，就是4:2:0了。事实上4:2:0是一个混乱的称呼，按照字面上理解，4:2:0应该是每4点Y采样，就有2点Cb和0点Cr，但事实上完全不是这样。事实上，4:2:0的意思是，色度采样在每条横向扫描线上只有亮度采样的一半，扫描线的条数上，也只有亮度的一半！换句话说，无论是横向还是纵向，色度信号的分辨率都只有亮度信号的一半。

YUV的格式

YUV格式有两大类：planar和packed。

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是连续交叉存储的。

（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Y'00、Y'01 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，如上图所示。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

I420: YYYYYYYY UU VV    =>YUV420P
YV12: YYYYYYYY VV UU    =>YUV420P
NV12: YYYYYYYY UVUV     =>YUV420SP
NV21: YYYYYYYY VUVU     =>YUV420SP

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