彻底弄懂I420格式

YUV的概念

YUV 和我们熟知的 RGB 类似，是一种颜色编码格式。它主要用于电视系统和模拟视频邻域（如 Camera 系统）。YUV 包含三个分量，其中 Y 表示明亮度（Luminance 或 Luma），也就是灰度值。而 U 和 V 则表示色度（Chrominance 或 Chroma），作用是描述图像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。没有 UV 分量信息，一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的灰度图像。YUV 格式的好处是很好地解决了彩色电视机与黑白电视机的兼容问题(当只要Y分量时就是黑白图像)。YCbCr，YPbPr等专有名词都可以称为YUV。

YUV的格式

YUV的格式取决采样方式

YUV的采样方式

4:4:4表示完全取样（每一个Y对应一组UV分量)
4:2:2表示2:1的水平取样，垂直完全采样(每两个Y共用一组UV分量)
4:2:0表示2:1的水平取样，垂直2：1采样(每四个Y共用一组UV分量)
4:1:1表示4:1的水平取样，垂直完全采样(每四个Y共用一组UV分量)

YUV的存储格式

我们主要关心的是如何处理YUV数据，所以最关心的是YUV数据的存储格式。内存中存储的方式包括两种:

planar 格式：先连续存储所有像素点的 Y 分量，紧接着存储所有像素点的 U 分量，再是V分量(当然不同存储格式的UV的先后顺序是不一样的，如I420的V在U后，YV12则是U在V后)。
packed 格式：每个像素的Y,U,V分量交替存储。

Y，U，V分量存储时的先后顺序的不同，代表了不同的格式，以下列出了几种常见的YUV格式：

YUYV(属于YUV422)

两个Y共用一组UV分量。Y,U,V分量交替存储。
UYVY(属于YUV422)

可以看到与YUYV的分量的顺序不一样。

YUV422P(属于YUV422)

是Planar存储模式，依次是Y，U，V。U分量在V分量之前

YUV420

根据U分量和Y分量的位置不同，也分为几种类型，常见的如下：

YV12(属于YUV420)

是Planar存储模式，依次是Y，V，U。V分量在U分量之前。

NV12(属于YUV420)

先是Y，在是U，V分量交替出现

一个简易存储示意图

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

YUV420sp与YUV420p的不同之处在，存储UV分量时，YUV420sp中的UV分量是交替存储。

处理I420

I420属于YUV420P(存储格式为Planar)，先是Y分量，再依次是U分量，V分量

这种格式很常用，在x264/265的中要求传入的源数据就是这种格式。在libyuv中，进行YUV图像处理(缩放，剪切，旋转)也是要求以这种格式传入。ffmpeg解码h264/265后数据也是这种格式。这种格式也可以直接通过D3D，OpenGL进行渲染。

计算占用的字节大小

一个分量占用一个字节，每一个象素点对应一个Y分量，四分之一个U分量，四分之一个V分量。所以分辨率为w*h的I420格式，Y的字节数为 w*h, U的字节数为w*h/4,V的字节数大小为w*h/4,总字节数即为w*h*3/2。

定位像素数据

要处理I420的数据，首先要能定位到像素分量数据。一个典型的场景是，通过freetype在YUV图像上加字幕时，这是需要将指定坐标点的像素替换为freetype返回的字体图数据。

那么下面是取像素点YUV(I420格式)分量数据的公式(Planar存储方式)：

size.total = size.width * size.height;
y = yuv[position.y * size.width + position.x];
u = yuv[(position.y / 2) * (size.width / 2) + (position.x / 2) + size.total];
v = yuv[(position.y / 2) * (size.width / 2) + (position.x / 2) + size.total + (size.total / 4)];

size.width/2为U分量和Y分量的步长

转一张很直观的I420存储的示意图。Y，U，V相同颜色的表述是同一像素的分量。可以结合这个图套用上面的公式推算一下:

一种常用的YUV数据表示方法

如果直接分配一段内存用以存储图像数据(比如I420格式)，是没法知道这段内存的YUV分量特点的(每个分量的数据起始及长度)。那么我们可以下面这种方式定义数据结构来解释存储结构：

enum enImageFmt
{enImageFmt_YUV420P...
};struct ImageSize
{int iWidth;int iHeight;
};struct VideoFrame
{//Image的格式enImageFmt fmt;//图像的分辨率ImageSize Size;//分别指向Y,U,V分量的开头unsigned char *data[3];//分别指示Y,U,V分量一行(步长)数据大小unsigned short linesize[3];
}//如下的一个示例代码
//指针pImage指向一幅YUV420P格式的图像,通过该结构体指示它的内存结构VideoFrame frame;
frame.fmt = enImageFmt_YUV420P;
frame.Size.w = w;
frame.Size.h = h;
//Y分量的步长
frame.linesize[0] = w;
//U分量的步长(其长度就是Y分量步长的一半，同理V分量)
frame.linesize[1] = w/2;
//V分量的步长
frame.linesize[2] = w/2;//那么data[0]指向的就是Y数据的起始
frame.data[0] = (unsigned char*)pImage;
//U数据的起始
frame.data[1] = frame.data[0] + frame.linesize[0]*h;
//V数据的起始
frame.data[2] = frame.data[1] + frame.linesize[1]*h/2;

该结构体不止可以指示YUV420P的结构，也可以指示其它YUV格式的结构。在ffmpeg中也有类型的结构定义。

总结：

虽然主要是讲解的如果处理I420格式，但是前面介绍了几种不同YUV的存储格式。可以结合存储示意图，类推出如何处理其它YUV格式数据。

参考

https://zh.wikipedia.org/wiki/YUV

https://www.cnblogs.com/azraelly/archive/2013/01/01/2841269.html