YUV 详解

YUV介绍

在摄像头之类编程经常是会碰到YUV格式,而非大家比较熟悉的RGB格式. 我们可以把YUV看成是一个RGB的变种来理解.

YUV的原理是把亮度与色度分离，研究证明,人眼对亮度的敏感超过色度。利用这个原理，可以把色度信息减少一点，人眼也无法查觉这一点。

 YUV三个字母中，其中"Y"表示明亮度（Lumina或Luma），也就是灰阶值；而"U"和"V"表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。用这个三个字母好象就是通道命令。

使用YUV的优点有两个:

一.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。因此用YUV格式由彩色转

黑白信号相当简单，这一特性用在于电视信号上。

二.YUV是数据总尺寸小于RGB格式

//扩展

什么是YCbCr?

 在技术文档里，YUV经常有另外的名字, YCbCr ,其中Y与YUV 中的Y含义一致，Cb , Cr 同样都指色彩,，只是在表示方法上不同而已，Cb Cr 就是本来理论上的“分量/色差”的标识。C代表分量(是component的缩写)Cr、Cb分别对应r(红)、b(蓝)分量信号，Y除了g(绿)分量信号，还叠加了亮度信号，数字信号都是YCbCr ，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。在后文中，如无特别指明，讲的YUV都是指YCbCr格式。还有一种格式是YPbPr格式,它与YCbCr格式的区别在于其中YCbCr是隔行信号，YPbPr是逐行信号。

什么是YPbPr?

YPbPr一般是模拟信号。Y'CbCr 在模拟分量视频(analog component video)中也常被称为YPbPr，YPbPr是将模拟的Y、PB、PR信号分开，使用三条线缆来独立传输，保障了色彩还原的准确性，YPbPr表示逐行扫描色差输出.YPbPr接口可以看做是S端子的扩展，与S端子相比，要多传输PB、PR两种信号，避免了两路色差混合解码并再次分离的过程，也保持了色度通道的最大带宽，只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为RGB三原色信号而成像，这就最大限度地缩短了视频源到显示器成像之间的视频信号通道，避免了因繁琐的传输过程所带来的图像失真，保障了色彩还原的准确，目前几乎所有大屏幕电视都支持色差输入。

YUV的存储格式

在RGB格式中，一个24bpp像素要占用4字节空间。在YUV格式中,可以对于UV分量的数据压缩,但是对图像整体质量影响不大，这样YUV所占的空间就比RGB要小一些，视频应用都是清一色的YUV应用。因此YUV的处理还是一个比较重要课题。 YUV的存储中与RGB格式最大不同在于，RGB格式每个点的数据是连续保存在一起的。而YUV的数据中为了节约空间，U，V分量空间会减小。每一个点的Y分量独立保存，但连续几个点的U，V分量是保存在一起的，这几个点合起来称为macro-pixel， 这种存储模式称为Packed模式。另外一种存储格式是把一幅图像中Y，U，V分别用三个独立的数组表示。这种存储模式称为planar模式。这里我们主要使用第一种Packed格式。

采样格式

表示YUV格式，一般用Y，U，V三者的比率来表示不同格式。

比如YUV444 表示三者是比值此是 4:4:4，即一个点数据点，Y,U,V的空间都是一样大小。

目前主要有如下比例，注意所有格式中Y比值都是4,占一个字节,表示没有减少采样。不同格式中,减小只是UV的采样值。

• 4:4:4 表示色度值(UV)没有减少采样。即Y,U,V各占一个字节，加上Alpha通道一个字节，总共占4字节.这个格式其实就是24bpp的RGB格式了。
• 4:2:2 表示UV分量采样减半,比如第一个像素采样Y,U,第二个像素采样Y,V,依次类推,这样每个点占用2个字节.二个像素组成一个宏像素.
• 4:2:0  这种采样并不意味着只有Y，Cb而没有Cr分量，这里的0说的U，V分量隔行才采样一次。比如第一行采样 4:2:0 ,第二行采样 4:0:2 ,依次类推...在这种采样方式下，每一个像素占用16bits或10bits空间.
• 4:1:1 可以参考4:2:2分量，是进一步压缩，每隔四个点才采一次U和V分量。一般是第0点采Y,U,第1点采Y,第3点采YV,第四点采Y,依次类推。

   除了4:4:4采样，其余采样后信号重新还原显示后,会丢失部分UV数据，只能用相临的数据补齐，但人眼对UV不敏感，因此总体感觉损失不大。

4:2:2示例

   如果原始数据三个像素是 Y0 U0 V0 ,Y1 U1 V1,Y2 U2 V2,Y3 U3 V3

   经过4：2：2采样后，数据变成了 Y0 U0 ,Y1 V1 ,Y2 U2,Y3 V3

   如果还原后，因为某一些数据丢失就补成 Y0 U0V1,Y1U0V1,Y2 U2V3,Y3 U3Y2

  4:1:1示例

  原来四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

   存放的码流为:    Y0 U0 ,  Y1,   Y2 V2,   Y3

   还原出像素点为：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

4:2:0示例

下面八个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] [Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8]

存放的码流为：   Y0 U0 ,Y1, Y2 U2, Y3 ,Y4 V4, Y5, Y6 V6, Y7

映射出的像素点为：[Y0 U0 V4] [Y1 U0 V4] [Y2 U2 V6] [Y3 U2 V6] [Y4 U0 V4] [Y6 U0 V4] [Y7U2 V6] [Y8 U2 V6]

Four CC 码

  关于YUV444,YUV422,YUV420的名称还有别外一种命名方式，FOURCC 码。   FourCC全称Four-Character Codes，是由4个字符（4 bytes）组成，是一种独立标示视频数据流格式的四字节，在wav、avi档案之中会有一段FourCC来描述这个AVI档案，是利用何种codec来编码的。因此wav、avi大量存在等于“IDP3”的FourCC。

YUV444 的FourCC 称为AYUV

YUV422 的FourcCC 按字节序分为YUY2（YUYV）和UYVY

YUV420 的FourcCC 按字节序分为IMC1和IMC2

 V4L2 采用编码

我们一般是在V4L驱动里使用这一些编码,而且V4L2也有一类对应的编码.参见vedio2dev.h,在编程中要与实际排列对应上.它后面的定义值实际就是FourCC 码.

#define V4L2_PIX_FMT_YVU420  v4l2_fourcc('Y', 'V', '1', '2') /* 12  YVU 4:2:0 */

#define V4L2_PIX_FMT_YUYV    v4l2_fourcc('Y', 'U', 'Y', 'V') /* 16  YUV 4:2:2*/

#define V4L2_PIX_FMT_UYVY    v4l2_fourcc('U', 'Y', 'V', 'Y') /* 16  YUV 4:2:2*/

#define V4L2_PIX_FMT_YUV422P v4l2_fourcc('4', '2', '2', 'P') /* 16  YVU422 planar */

#define V4L2_PIX_FMT_YUV411P v4l2_fourcc('4', '1', '1', 'P') /* 16  YVU411 planar */

#define V4L2_PIX_FMT_Y41P    v4l2_fourcc('Y', '4', '1', 'P') /* 12  YUV 4:1:1*/

#define V4L2_PIX_FMT_YUV444  v4l2_fourcc('Y', '4', '4', '4') /* 32  xxxxyyyy uuuuvvvv */

#define V4L2_PIX_FMT_YUV555  v4l2_fourcc('Y', 'U', 'V', 'O')

比如在CMOS摄像头里支持V4L2_PIX_FMT_YVU420 ,它对应的是YV12 格式,查相应文档,它是Plane格式,即Y,U,V分三个区排列。