RGB转YUV----RGB色域与YUV色域的介绍

以下文章来源于疯狂的FPGA，作者CrazyBingo。文章仅用于学术分享。

正式开始前，我们有必要介绍一下色彩模型。色彩模型有很多种类，比如RGB三原色模型、CMYK四原色模型、YUV/YCbCr颜色模型等，由于我们本章要进行RGB转YCbCr算法的实现，因此这里我们重点介绍RGB和YCbCr色彩模型。1.1.RGB三原色模型

为了研究RGB三原色模型，我们需要从光线的底层物理组成开始分析。光也属于电磁波，有着同样的特性，这里给出了电磁波光谱图，如下图所示：

图. 电磁波光谱图

在电磁波波段中，400nm~700nm范围内为可见光波段，即人类肉眼可见的光。大自然的色彩均是由可见光组成的：雨后见彩虹，或者三棱镜色散后呈现的“红橙黄绿青蓝紫”，便是自然光（白光）分解的结果。分解后的光频率与波长如下表所示：

注：由于青色与蓝色、绿色有一定程度的交叉，笔者参考了很多资料，均没有给出明确的界限，因此这里暂不给出具体参数。

通过不同样色、不同深浅的组合，能够再现大自然五彩缤纷。而我们人眼能观察到色彩，是因为照射到物体上的电磁波（光线）反射，有人眼感应后所形成的结果。人眼能分辨出“红橙黄绿青蓝紫”，并不是因为人眼具有这7种感光细胞，而是通过另外一种组合——“RGB三原色模型”。

所谓三原色模型，是认为人眼里有三种感光细胞，分别对红色、绿色和蓝色最敏感。人眼之所以看到各种颜色的光，主要是这三种细胞感觉综合的结果，而红、绿、蓝三色被称为三原色。虽然在历史上，出于不同的原因，到底将哪三种颜色作为三原色，有过争论，现在根据不同目的也有不同的选择。但是，最广为人知的，依然是红绿蓝（RGB）三色。人眼存在着三种颜色的感光细胞，成为锥状感光细胞。

人眼在光线充足的环境中，能见到五颜六色，而在在光线比较暗的情况下，只能观察到物理的敏感程度，却不能感受到五颜六色的斑斓。因此，相关研究表明，人眼还存在着另外一种可见光细胞——柱状细胞，对光线强度的感应。这四种感光细胞对波长的敏感程度如下所示：

这里RGB三种感光细胞都可覆盖可见光范围，但是每一种细胞最敏感的的波长不同。分别能感应RGB的细胞，被称为红视锥细胞、绿视锥细胞、蓝视锥细胞。而每一种细胞，并非刚刚好对准响应颜色的波长中心值，这一点主要取决于人眼，而非电磁波。人眼所看到的的彩色图像，是RGB以不同强度混合进入眼睛，综合出来的结果。由这三种细胞受到不同强度的反应结果，组合出的颜色，成为“三颜刺激”。

计算机中，使用最广泛的就是 RGB 三原色模型了。计算机使用离散的数字信号来描述数据，RGB 模型也不例外。对于RGB三原色的不同组合，能实现自然界真彩的斑斓。而针对同一强度的RGB三原色，可以组成2 3 =8种颜色，如下图所示：

饱和度均为100%的RGB三原色组合模式与组合后的结果如下表所示：

序号	R	G	B	Result	备注
1	1	0	0	RED	红
2	0	1	0	GREEN	绿
3	0	0	1	BLUE	蓝
4	1	1	1	WHITE	白
5	0	0	0	BLACK	黑
6	1	1	0	YELLOW	黄
7	1	0	1	CYAN	青
8	1	1	1	ROYAL	品

饱和度均为100%的RGB三原色能组合成8种颜色，那么当RGB饱和度在0~100%（色彩深度）变化，就能细分组合出更多的颜色。计算机处理的BMP图片，为24Bit的位图，即每一通道的颜色可以细分为2 8 =256级别（RGB888），即每一通道的色彩分辨率能达到了256级，总共能综合出的颜色种类计算如下：

1.2.YCbCr色域介绍

YCbCr是在世界数字组织视频标准研制过程中，作为ITU - R BT.601 建议的一部分，其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。YCbCr由Y（Luminance）、Cb（Chrominance-Blue）和Cr（Chrominance-Red）组成，其中Y表示颜色的明亮度和浓度，而Cb和Cr则分别表示颜色的蓝色浓度偏移量和红色浓度偏移量。

医学研究证明，人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到图像质量的变化。如果只有Y信号分量，而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。我们通常把YUV和YCbCr概念混在一起，但其实这两者还是有挺大的区别，主要区分介绍如下：

1）首先，YUV是一种模拟信号，其色彩模型源于RGB模型，即亮度与色度分离，适合图像算法的处理，常应用于在模拟广播电视中，其中Y∈ [0,1] U,V∈[-0.5,0.5] 。

2）其次，YCbCr是一种数字信号，其色彩模型源于YUV模型，它是YUV压缩和偏移的版本（所谓偏移就是从[-0.5,0.5] 偏移到[0,1 ]，因此计算时候会加128），在数字视频领域应用广泛，是计算机中应用最多的格式，包括JPEG，MPEG，H.264/5， AVS等都采用YCbCr格式，我们通常广义的讲的YUV，严格的讲应该就是YCbCr。

YCbCr格式可以继续细分，有2种格式：tv range与full range，主要区别如下：

1）tv range：

Y∈[16,235]，Cb∈[16-240] ，Cr∈[16-240] ，主要是广播电视采用的数字标准；

2）full range：

Y、Cb、Cr∈[0-255] ，主要是PC端采用的标准，所以也称pc range。

关于为何tv range要量化到16-235，主要是由于YUV最终在模拟域传输，因此为了防止数模转换时引起过冲现象，于是将数字域限定在16-235。至于为什么选择16/235，可自行了解Gibbs Phenomenon吉布斯现象，这里不再继续展开。

所以RGB转YCbCr，得明确转tv range还是pc range；反之也可以通过像素值范围，去判断是tv range，还是pc range，甚至还得明确是什么格式范围，否则会导致偏色。如下图所示，为BT.601标准中YUV的UV坐标模型（U越大越蓝，V越大越红）：

1）针对标准SDTV（标准分辨率电视），采用ITU-R BT.601数据格式，其中YCbCr为tv range，所以YCbCr也有一定的区间范围，因此给出RGB与YCbCr的相互转换公式如下：

2）针对标准HDTV（高清晰度电视），采用ITU-R BT.709数据格式，其参数略有不同，这里给出RGB与YCbCr的相互转换公式如下：

3）最后，针对full range或者pc range的YCbCr格式，这里YCbCr均为0-255的取值，其RGB与YCbCr的转换公式，如下：

因此在具体转换前，务必搞清楚当前的制式，否则很容易引起偏色甚至异常现象产生。另外，图像传感器可以配置输出RGB/YCbCr，对应的手册也一般也会给出转换公式，如下所示，为OV7725传感器手册中，RGB与YCbCr的转换关系。与前面介绍的full range下的RGB转YCbCr公式，还是有一些略微的区别。

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