目錄

1. YUV的原理
2. YUV的取值范圍
3. YUV的存儲(chǔ)格式
4. YUV的采樣格式
5. 存儲(chǔ)方式
6. 10bit YUV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)
7. RGB的格式

參考

• [1] 圖文詳解YUV420數(shù)據(jù)格式
• [2] fourcc.org/yuv
• [3] fourcc.org/rgb
• [4] 雷霄驊/最簡(jiǎn)單的基于FFmpeg的libswscale的示例（YUV轉(zhuǎn)RGB）
• [5] zhanghui_cuc/10bit YUV數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)格式
• [6] docs.microsoft.com/10-bit and 16-bit YUV Video Formats

1. YUV的原理

YUV 的原理是把亮度（Luma）與色度（Chroma）分離窃躲。
“Y”表示亮度，也就是灰度值。
“U”表示藍(lán)色通道與亮度的差值。
“V”表示紅色通道與亮度的差值诵冒。

其中 Y 信號(hào)分量除了表示亮度信號(hào)外碍扔，還含有較多的綠色通道量，單純的 Y 分量可以顯示出完整的黑白圖像奸例。
U饼拍、V 分量分別表示藍(lán) (blue)赡模、紅 (red) 分量信號(hào)，只含有色度信息惕耕，所以 YUV 也稱為 YCbCr纺裁，其中诫肠，Cb司澎、Cr的含義等同于U欺缘、V，C 可以理解為 component 或者 color挤安。

RGB 轉(zhuǎn) YUV 的公式能更好地反應(yīng) YUV 與 RGB 的關(guān)系谚殊，以及為什么稱為 YCbCr：

yuv1.png

RGB與YUV的變換公式如下：

yuv_rgb.jpg

有時(shí)候遇到播放問題會(huì)看到純綠色的圖像，可能是由某些錯(cuò)誤導(dǎo)致YUV值為（0,0,0）引起的蛤铜，YUV(0,0,0)對(duì)應(yīng)RGB為(0,135,0)嫩絮，正好為綠色。

RGB和YUV互轉(zhuǎn)的網(wǎng)頁(yè)小工具：
https://www.mikekohn.net/file_formats/yuv_rgb_converter.php

在RGB色彩空間中围肥，三個(gè)顏色的重要程度相同剿干，所以需要使用相同的比特進(jìn)行存儲(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)亮度的敏感超過色度穆刻。將圖像的亮度信息和顏色信息分離置尔，并使用不同的分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣在對(duì)主觀感覺影響很小的前提下氢伟，可以更加有效地存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)榜轿。

2. YUV的取值范圍

與RGB每個(gè)像素點(diǎn)的每個(gè)分量取值范圍為0-255不同（每個(gè)分量占8bit），YUV取值范圍有兩種：

1. 以Rec.601為代表（還包括BT.709 / BT.2020）的廣播電視標(biāo)準(zhǔn)中朵锣，Y的取值范圍是16-235谬盐，U、V的取值范圍是16-240诚些。FFmpeg中稱之為“mpeg”范圍飞傀。
2. 以JPEG為代表的標(biāo)準(zhǔn)中，Y泣刹、U助析、V的取值范圍都是0-255。FFmpeg中稱之為“jpeg” 范圍椅您。

實(shí)際中最常見的是第1種取值范圍的YUV（可以自己觀察一下YUV的數(shù)據(jù)外冀，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中亮度分量沒有取值為0、255這樣的數(shù)值）掀泳。很多人在這個(gè)地方會(huì)有疑惑雪隧，為什么會(huì)去掉“兩邊”的取值呢？

原因：

• 在廣播電視系統(tǒng)中不傳輸很低和很高的數(shù)值员舵，實(shí)際上是為了防止信號(hào)變動(dòng)造成過載脑沿，因而把這“兩邊”的數(shù)值作為“保護(hù)帶”[4]。

下面這張圖是數(shù)字電視中亮度信號(hào)量化后的電平分配圖马僻。從圖中可以看出庄拇。

• 對(duì)于8bit量化來說，信號(hào)的白電平為235，對(duì)應(yīng)模擬電平為700mV措近。
• 黑電平為16溶弟，對(duì)應(yīng)模擬電平為0mV。
• 信號(hào)上方的“保護(hù)帶”取值范圍是236至254瞭郑，而信號(hào)下方的“保護(hù)帶”取值范圍是1-15辜御。
• 最邊緣的0和255兩個(gè)電平是保護(hù)電平，是不允許出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中的屈张。

與之類似擒权，10bit量化的時(shí)候，白電平是235*4=940阁谆，黑電平是16*4=64碳抄。

quantization_yuv.jpg

下面兩張圖是數(shù)字電視中色度信號(hào)量化后的電平分配圖〕÷蹋可以看出：

• 色度最大正電平為240纳鼎，對(duì)應(yīng)模擬電平為+350mV。
• 色度最大負(fù)電平為16裳凸，對(duì)應(yīng)模擬電平為-350mV贱鄙。
• 需要注意的是，色度信號(hào)數(shù)字電平128對(duì)應(yīng)的模擬電平是0mV姨谷。

quantization_2.jpg

quantization_3.jpg

3. YUV的存儲(chǔ)格式

YUV格式有兩大類：planar和packed逗宁。

對(duì)于 planar 的 YUV 格式，先連續(xù)存儲(chǔ)所有像素點(diǎn)的 Y梦湘，緊接著存儲(chǔ)所有像素點(diǎn)的 U瞎颗，隨后是所有像素點(diǎn)的 V。相當(dāng)于將 YUV 拆分成三個(gè)平面 (plane) 存儲(chǔ)捌议。

對(duì)于 packed 的 YUV 格式哼拔，每個(gè)像素點(diǎn)的 Y，U瓣颅，V 是連續(xù)交替存儲(chǔ)的倦逐。

4. YUV的采樣格式

主要的采樣格式有YUV4:4:4、YUV4:2:2宫补、YUV4:2:0 檬姥，其中YUV4:2:0是最常用的采樣格式。

采樣就是根據(jù)一定的間隔取值粉怕。其中的比例是指 Y健民、U、V 表示的像素贫贝，三者分別占的比值秉犹。

image

• YUV 4:4:4采樣悦陋，每一個(gè)Y對(duì)應(yīng)一組UV分量。
• YUV 4:2:2采樣筑辨，每?jī)蓚€(gè)Y共用一組UV分量。
• YUV 4:2:0采樣幸逆，每四個(gè)Y共用一組UV分量棍辕。

5. 存儲(chǔ)方式

下面用圖的形式給出常見的YUV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，并在后面附有取樣每個(gè)像素點(diǎn)的YUV數(shù)據(jù)的方法还绘。

(1) YUYV 格式 （屬于YUV422）

YUYV.png

相鄰的兩個(gè)Y共用其相鄰的兩個(gè)Cb楚昭、Cr，對(duì)于像素點(diǎn)Y'00拍顷、Y'01 而言抚太，其Cb、Cr的值均為 Cb00昔案、Cr00尿贫，其他的像素點(diǎn)的YUV取值依次類推。

(2) UYVY 格式 （屬于YUV422）

YUYV.png

與YUYV不同的是UV的排列順序不一樣踏揣，還原其每個(gè)像素點(diǎn)的YUV值的方法與上面一樣庆亡。

(3) YUV422P（屬于YUV422）

YUV422P.png

YUV422P是一種平面模式，其每一個(gè)像素點(diǎn)的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法捞稿，即兩個(gè)Y共用一個(gè)UV又谋。比如，對(duì)于像素點(diǎn)Y'00娱局、Y'01 而言彰亥，其Cb、Cr的值均為 Cb00衰齐、Cr00任斋。

(4) YUV420P格式（屬于YUV420）

YV12.png

YUV420P，Y耻涛，U仁卷，V三個(gè)分量都是平面格式，分為I420和YV12犬第。I420格式和YV12格式的不同處在U平面和V平面的位置不同锦积。注意，上圖中歉嗓，Y'00丰介、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00哮幢、Cb00带膀，其他依次類推。在I420格式中橙垢，U平面緊跟在Y平面之后垛叨，然后才是V平面（即：YUV）；但YV12則是相反（即：YVU）柜某。

YUV420p.png

I420: YYYYYYYY UU VV
YV12: YYYYYYYY VV UU

(5) NV12嗽元、NV21（YUV420sp，屬于YUV420）

NV12.png

這兩種格式的不同在于UV交錯(cuò)排列的順序不同喂击，是一種two-plane模式剂癌，即Y和UV分為兩個(gè)Plane，但是UV（CbCr）為交錯(cuò)存儲(chǔ)翰绊，而不是分為三個(gè)plane佩谷。其提取方式與上一種類似，即Y'00监嗜、Y'01谐檀、Y'10、Y'11共用Cr00裁奇、Cb00稚补，其他依次類推。

假設(shè)一個(gè)分辨率為8X4的YUV圖像框喳，它們的格式如下圖：
YUV420sp格式如下圖

YUV420sp.png

以w*h大小圖像的YUV420數(shù)據(jù)為例课幕，
其存儲(chǔ)格式是： 共大小為(w * h * 3/2)字節(jié)，
Y分量：(w * h)個(gè)字節(jié)
U(Cb)分量：(w * h/4)個(gè)字節(jié)
V(Cr)分量：(w * h/4)個(gè)字節(jié)

6. 10bit YUV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

常見的yuv數(shù)據(jù)五垮，每個(gè)像素的一個(gè)通道一般是占用一個(gè)字節(jié)即8bit乍惊。而HDR常用的標(biāo)準(zhǔn)HDR10，數(shù)據(jù)是10bit的放仗。

10bit數(shù)據(jù)是怎么存儲(chǔ)的呢润绎？我們一般會(huì)有兩種想法：

1. 每個(gè)像素的一個(gè)通道占用兩個(gè)字節(jié)，其中6個(gè)bit是填充位诞挨。
2. 每個(gè)像素的一個(gè)通道占用10bit莉撇，10bit數(shù)據(jù)和10bit數(shù)據(jù)是挨著排列的。

優(yōu)缺點(diǎn)

1. 方式1：便于運(yùn)算處理惶傻，有存儲(chǔ)冗余棍郎；
2. 方式2：存儲(chǔ)沒有冗余，計(jì)算麻煩银室。

事實(shí)上涂佃，10bit是采用方式1存儲(chǔ)的励翼，并且高有效字節(jié)的前6個(gè)bit是填充的0。

HDR10視頻解碼得到Y(jié)UV數(shù)據(jù)的命令：

//yuv420p10le格式
ffmpeg -i hdr10.mp4 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p10be hdr10_yuv420p10le.yuv

//yuv420p10be格式
ffmpeg -i hdr10.mp4 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p10be hdr10_yuv420p10le.yuv

（1）yuv420p10le的數(shù)據(jù)格式的16進(jìn)制的顯示：

image.png

比如地址019f7040h開始的兩個(gè)字節(jié)：

-------------低地址---->高地址--------------
00011111 000000 01  

（2）yuv420p10be的數(shù)據(jù)格式的16進(jìn)制的顯示：

image.png

-------------低地址---->高地址--------------
000000 01 00011111   

工具推薦：一個(gè)可以播放10bit yuv流的播放器YUV Player

7. RGB格式

1. BGR24圖像格式
   BGR24圖像格式是一種采用24bpp(bit per pixel)的格式辜荠。每個(gè)顏色通道B汽抚、G、R各占8bpp伯病。
   排列方式如：

B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R
B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R
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