FFmpeg 中 YUV

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正文：

FFmpeg 源码分析 Part Three: YUV

先给出YUV格式的定义：

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。

YUV名词解释和原理：

YUV的原理是，将亮度和色度分离，根据人眼的特性，相对于色度，人对亮度更敏感一些。

利用这个特性我们可以适当的减少色度的信息。

在YUV的三个字母中，“Y”表示亮度，“U”和“V”表示色度。

在一些技术文档里，YUV还有其他的一些名字，主要的有这2个：YCbCr和YPbPr。 

YCbCr：Y与YUV中的解释一致，表示亮度。

Cb/Cr中，C代表分量，Cb表示的就是蓝色分量信号，Cr表示的是红色分量信号。

Y除了亮度信号外，还叠加了绿色分量信号。数字信号是YCbCr，JPEG和MPEG2都采用的是此格式。

YCbCr表示隔行扫描色差输出，是属于YUV经过缩放和偏移的翻版。

YPbPr：YCbCr在模拟分量视频也称为YPbPr。

YPbPr是将模拟的Y，Pb，Pr信号分开，使用三条线缆来独立输出，

保障了色彩还原的准确性，YPbPr表示逐行扫描色差输出。

YUV的存储格式：

先简要说明一下bpp比特每像素：表示一个像素点所能取到的不同颜色数取决于bpp。Max_bpp = 2^颜色深度。

常见的取值有8bpp =2^8 = 256色，16bpp高彩色，24bpp真彩色，48bpp用于专业扫描仪，TIFF文件。

对于超过8位的深度，这些数位就是三个分量（红绿蓝）的各自的数位的总和。

一个16位的深度通常分为5位红色和5位蓝色，6位绿色（眼睛对于绿色更为敏感）。

24位的深度一般是每个分量8位。

在有些系统中，32位深度也是可选的：这意味着24位的像素有8位额外的数位来描述透明度。

在RGB格式中，一个24bpp像素要占用4个字节空间。

在YUV中可以对于uv色度分量进行压缩，但对图像质量影响不大，所以YUV所占空间要比RGB要小。

YUV存储与RGB格式最大的不同在于，RGB格式每个点的数据是连续保存在一起的，即 RGBRGBRGBRGB.... 

而在YUV中，每个Y分量独立存储，但是连续几个点的U，V保存在一起，这几点个合起来称为marco-pixel,

这种存储格式称为packed格式（打包格式）。

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。

这种模式称为planar模式（平面格式）。

YUV的采样格式：

先介绍一个好东西：FourCC码。

FourCC全称Four-Character Codes，代表四字符代码 (four character code), 

它是一个32位的标示符，其实就是typedef unsigned int FOURCC;是一种独立标示视频数据流格式的四字符代码。

视频播放软件通过查询 FourCC 代码并且寻找与 FourCC 代码相关联的视频解码器来播放特定的视频流。

传统的FourCC码的生成方式为：

#define MAKE_FOURCC(a,b,c,d) \　　

( ((uint32_t)d) | ( ((uint32_t)c) << 8 ) | ( ((uint32_t)b) << 16 ) | ( ((uint32_t)a) << 24 ) )

下面所用的采样格式也可以通过FourCC码来表示。

我们一般用YUV三者的比率来表示不同的格式，主要有YUV444，YUV422，YUV420，YUV411。

YUV444：

FourCC 码为 AYUV，表示色度UV分量没有减少采样。

即Y,U,V各占一个字节，透明分量Alpha再占一个字节。共占4个字节，这就和RGB 24bpp是一样的。

每个像素都被组织为4个连续字节，组织顺序如下所示：

                

YUV422：

表示UV分量减半采样。比如第一个点采样YU，第二个点采样YV，这样每个点占2个字节，16位。

2个像素组成了一个宏像素。

支持2个4:2:2格式，FourCC码为：

第一种，YUY2，

第一个字节包含第一个 Y 样例，

第二个字节包含第一个 U (Cb) 样例，

第三个字节包含第二个 Y 样例，

第四个字节包含第一个 V (Cr) 样例，如图所示 ：

在小端模式下，（即低地址存放低位，高地址存放高位），看作由两个WORD 值组成的数组，

则第一个 WORD 在最低有效位 (LSB) 中包含 Y0，在最高有效位 (MSB) 中包含 U。

第二个 WORD 在 LSB 中包含 Y1，在 MSB 中包含 V。

第二种，UYVY，只是将YUY2中的亮度和色度的字节序反一下。如图所示：

YUV420：

表示每4个点隔点只取U，隔行后每4个点隔点只取V

这种采样并不是说有Y和Cb，而没有Cr。而是说Cb和Cr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....以此类推。

举个实例：

原本的8个像素点：

【Y0,U0,V0】【Y1,U1,V1】【Y2,U2,V2】【Y3,U3,V3】

【Y4,U4,V4】【Y5,U5,V5】【Y6,U6,V6】【Y7,U7,V7】

经过YUV420采样，得到：

【Y0,U0】【Y1】【Y2,U2】【Y3】

【Y4,V4】【Y5】【Y6,V6】【Y7】

支持6种4:2:2格式，FourCC码为：

第一种，IMC1，所有 Y 样例都会作为不带正负号的char值组成的数组首先显示在内存中。

后面跟着所有 V (Cr) 样例，然后是所有 U (Cb) 样例。

V 和 U 平面与 Y 平面具有相同的跨距，从而生成如图 8 所示的内存的未使用区域。

如图所示：

第二种，IMC3，和IMC1类似，只是V和U平面进行了交换而已。

第三种，IMC2，此格式与 IMC1 相同，只是 V (Cr) 和 U (Cb) 行在半跨距边界处进行了交错。

换句话说，就是色度区域中的每个完整跨距行都以一行 V 样例开始，

然后是一行在下一个半跨距边界处开始的 U 样例（图 10）。

此布局与 IMC1 相比，能够更加高效地利用地址空间。它的色度地址空间缩小了一半，

因此整体地址空间缩小了 25%。在各个 4:2:0 格式中，IMC2 是第二首选格式，排在 NV12 之后。

如图所示：

第四种，IMC4，和IMC2类似，只是V和U平面进行了交换而已。

第五种，YV12，所有 Y 样例都会作为不带正负号的char值组成的数组首先显示在内存中。

此数组后面紧接着所有 V (Cr) 样例。

V 平面的跨距为 Y 平面跨距的一半，V 平面包含的行为 Y 平面包含行的一半。

V 平面后面紧接着所有 U (Cb) 样例，它的跨距和行数与 V 平面相同。

如图所示：

第六种，NV12，所有 Y 样例都会作为由不带正负号的char值组成的数组首先显示在内存中，并且行数为偶数。

Y 平面后面紧接着一个由不带正负号的char值组成的数组，其中包含了打包的 U (Cb) 和 V (Cr) 样例，

如图 13 所示。

当组合的 U-V 数组被视为一个由小端WORD值组成的数组时，

LSB 包含 U 值，MSB 包含 V 值。NV12 是用于 DirectX VA 的首选 4:2:0 像素格式。如图所示：