Duanxx的HEVC学习（一）输入视频文件YUV文件的分析

转自：http://blog.csdn.net/daunxx/article/details/37959831

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一 什么是YUV文件

         Y'UV的发明是由于彩色电视与黑白电视的过渡时期。黑白视讯只有Y（Luma，Luminance）视讯，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，把UV视作表示彩度的C（Chrominance或Chroma），如果忽略C信号，那么剩下的Y（Luma）信号就跟之前的黑白电视信号相同，这样一来便解决彩色电视机与黑白电视机的相容问。YYV文件实际上是将RGB文件拆解成了亮度和色度信息保存，Y'UV最大的优点在于只需占用极少的带宽。

         RGB文件最大的问题是RGB的视频文件难以操作，如果我希望降低视频文件的亮度，RGB文件必须同时处理RGB三色，并且在数据上会存在失真，为了解决这个问题，YCbCr形式的文件就诞生了，Y是亮度频道（luminance channel），Cb是蓝色色度频道（Bluechannel），Cr是红色色度频道（Red channel）。

 

1.1 YUV文件的采样方式

         YUV文件的色度频道的采样频率是可以比亮度频道的采样频率低的，但不会明显的降低视觉质量，于是乎就有一种用于描述YUV文件的采样频率比的方法A:B:C

l  444代表没有亮度和色度都没有下采样

l  422表示2:1的水平下采样，但是没有垂直下采样。每行扫描都含有4个Y采样点，2个U采样点和两个V采样点。即，在水平方向的隔行采样，垂直方向全采样。

l  420表示2:1的水平下采样和2:1的垂直下采样。每行扫描都好友4个Y采样点，1个U采样点和一个V采样点。即，在水平方向隔行采样，垂直方向也隔行采样。

1.2YUV文件的存储方式

对于8bit深度的数据而言，一个字节就是一个采样点。10bit或者12bit的数据深度，则需要两个字节来存储一个采样点，此时低位优先，最低有效位数据对齐。即：Y[0]Y[1]表示一个Y采样数据，那么其值为Y[1]*256+Y[0]。

         YUV文件的存储方式指的是YUV文件中YUV数据在其Byte System中的排布或者说位置。YUV文件的数据存储方式有两种Packed format和 Planarformat。

         在Packed format中，YUV文件的Y/U/V数据打包在了一起，依次存放，如下图所示。

         在Planar format中，YUV的文件存放是分开的，先存放一帧图片的Y数据，然后存放UV数据。

IMC4，i420格式的文件存放方式:Y + U + V

IMC2、YV12的存放方式:Y + V + U

1.3 YUV和RGB之间的转换

从RGB到YUV：

从YUV到RGB：

以矩阵表示法（matrix representation），可得到公式：

二 HEVC标准测试视频文件分析

         HEVC标准测试文件有很多，此处对BasketballDrill_832x480_50.yuv分析其文件格式。

         此文件的分辨率为832x480，文件数据深度为8bit，文件格式为420，总帧数为501帧。

         在这里我用了两个软件：Elecard和Binary Viewer

         首先用Binary Viewer打开该文件：

         其文件大小为300119040字节

         计算YUV数据量：（832*480 + 832*480/4 + 832*480/4）*501 =  300119040

         由此可以看出，YUV文件全部是数据，此处就有一个疑惑，它的文件格式，文件名等等信息怎么存储的呢？有二进制查看器打开其他的文件，比如一个图片什么的，都会找到文件格式、文件名之类的东西，但是YUV文件却什么都没有，只有数据，真心不理解。

         再用Elecard，以YV12显示的方式打开该文件，并查看其144*15那个点的数据。

         由图中可以看到，红色框中的UV值都是一样的，因为是420采样，横向和纵向都下采样了，在从420转换成444时，直接填充。所以才会出现一个2*2的块中的UV值都是一样的。且下标都是从0开始，所以：

Y的位置为：832*15+145 = 12625

U的位置为：832*480 + 832/2*（15-1）/2 + 144/2 +1 =402345

V的位置为：832*480 + 832*480/4 + 832/2*（15-1）/2 + 144/2 +1 = 502185

         从Binary Viewer定位到这些位置，便可以查看到相应的值。需要注意两点，Binary Viewer中的下标是从0开始的，所以在定位时，需要减1；并且，上面是YV12打开的，所以UV的位置反了。

 

三 Matlab读取一个YUV文件并查看

         此处我读取了一帧的数据，然后将YUV420转为YUV44最后转为RGB显示出来：

[html] view plaincopy

1. fid=fopen('BasketballDrill_832x480_50.yuv','rb');  
2. width = 832  
3. height = 480  
4.    
5. %% Read a yuv file ,thefile format is i420  
6. Y = fread(fid,[width,height],'uint8');  
7. U = fread(fid,[width/2,height/2],'uint8');  
8. V = fread(fid,[width/2,height/2],'uint8');  
9.    
10. %% inital memory for yuv444  
11. YY=zeros(width,height,'uint8');  
12. UU=zeros(width,height,'uint8');  
13. VV=zeros(width,height,'uint8');  
14.    
15. %% fill the empty of yuv444in U and V  
16. UU(1:2:width-1,1:2:height-1)=U(:,:);  
17. UU(1:2:width-1,2:2:height)=U(:,:);  
18. UU(2:2:width,1:2:height-1)=U(:,:);  
19. UU(2:2:width,2:2:height)=U(:,:);  
20. VV(1:2:width-1,1:2:height-1)=V(:,:);  
21. VV(1:2:width-1,2:2:height)=V(:,:);  
22. VV(2:2:width,1:2:height-1)=V(:,:);  
23. VV(2:2:width,2:2:height)=V(:,:);  
24.    
25. %% transform the yuv444 toRGB,and show the picture  
26. YUV444=cat(3,Y',UU',VV');  
27. RGB=ycbcr2rgb(YUV444);  
28. imshow(RGB)  

最后显示的图像如图所示：

在U/V都为0时的图像：

只有U为0时的图像：

只有V为0的图像：