RGB&YUV 顏色編碼理解

前言:RGB 和 YUV 都是色彩空間模型秆剪，下面來分別介紹下

一、RGB顏色編碼

$\color{red}{RGB}$ 顏色編碼格式国旷，是指每種顏色都可以用 $\color{red}{（紅刨晴，綠屉来，藍(lán)）}$ 三種顏色來表示，將 $\color{red}{RGB}$ 分別取不同的值狈癞，會展示不同的顏色（即三原色）茄靠。

使用 $\color{red}{RGB}$ 編碼的圖像中國呢，每個(gè)像素點(diǎn)都是由紅蝶桶、綠慨绳、藍(lán)三個(gè)顏色組成，每種顏色在內(nèi)存中都占用 $\color{red}{8bit}$ (一個(gè)字節(jié)),即一個(gè)像素點(diǎn)占用 $\color{red}{24bit}$ ,加上透明度，所以一個(gè)像素點(diǎn)在內(nèi)存中占用 $\color{red}{32bit}$ (4個(gè)字節(jié))脐雪。

RGB展示圖

當(dāng)有一張大小的圖片時(shí)厌小，該圖片中有個(gè)像素點(diǎn)，其中每個(gè)像素點(diǎn)都采用战秋，那么這張圖片就會占用的存儲空間璧亚。

二、YUV顏色編碼

$\color{red}{YUV}$ 顏色編碼采用的是 $\color{red}{明亮度}$ 和 $\color{red}{色度}$ 來指定像素的顏色脂信，其中Y表示明亮度（Luminance Luma）癣蟋，U和V表示色度（Chrominance chroma），而色度狰闪，又定義了顏色的色調(diào)和飽和度疯搅。
$\color{red}{YUV顏色編碼格式在默認(rèn)情況下是圖像和視頻壓縮的標(biāo)準(zhǔn)}$ ，如下圖所示埋泵，和RGB類似幔欧，每個(gè)像素先都包含Y、U丽声、V3個(gè)分量琐馆，但是其中Y和UV是可以分離的，沒有UV信息恒序，也是可以顯示圖片的，只不過的黑白的谁撼。

YUV顏色編碼

使用YUV的優(yōu)勢

降低占用的存儲空間
節(jié)省帶寬

對于YUV圖像來說歧胁，并不是每個(gè)像素點(diǎn)都需要包含Y、U厉碟、V三個(gè)分量喊巍，我們可以根據(jù)不同的采樣格式，有以下幾種采樣格式

YUV4:4:4：每個(gè)Y分量對應(yīng)自己的UV分量
YUV4:2:2：兩個(gè)Y分量共用一套UV分量
YUV4:2:0：4個(gè)Y分量共用一套UV分量

其中最常用的YUV格式則是YUV4:2:0

YUV采樣格式 - YUV4:4:4

YUV4:4:4 采樣格式箍鼓，表示其中的Y崭参、U、V三個(gè)分量的采樣比例是相同的款咖，所以每個(gè)像素點(diǎn)的分量信息都是完整的何暮，每個(gè)分量占用8bit，一個(gè)像素點(diǎn)占用1個(gè)字節(jié)铐殃。與RGB顏色編碼相比海洼，并沒有節(jié)省帶寬，占用的存儲空間也沒有減少

可以簡單理解為：原始像素原樣輸出富腊，沒有任何壓縮坏逢，如下圖所示

image

假設(shè)原始圖像的像素為（一對[]表示一個(gè)像素點(diǎn)）：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
將原始圖像像素按照YUV4:4:4采樣的碼流為(相對原始像素是原樣輸出)：
Y0, U0, V0, Y1, U1, V1, Y2, U2, V2, Y3, U3, V3
最后映射還原的像素點(diǎn) = 原始圖像的像素，為：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];

其中映射過程如下圖所示

image

YUV采樣格式 - YUV4:2:2

YUV4:2:2采樣格式，是指其中Y分量的采樣是UV分量的2倍是整，即Y分量與UV分量是按照2：1的比例采樣肖揣。舉例說明：如果水平方向有10個(gè)像素點(diǎn)，通過這種采樣格式浮入，最終采樣了10個(gè)Y分量龙优，5個(gè)UV分量

可以通俗的理解為：每采樣一個(gè)像素點(diǎn)，都會采樣Y分量舵盈，而U陋率、V分量則會間隔一個(gè)采集一個(gè)，如圖所示

image

假設(shè)原始圖像的像素為（一對[]表示一個(gè)像素點(diǎn)）：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
將原始圖像像素按照YUV4:2:2采樣的碼流為：
Y0, U0, Y1, V1, Y2, U2, Y3, V3
最后映射還原的像素點(diǎn)為：
[Y0, U0, V1]; [Y1, U0, V1]; [Y2, U2, V3]; [Y3, U2, V3];

其映射過程如圖所示

image

YUV采樣格式 - YUV4:2:0

YUV4:2:0采樣格式秽晚，并不是只采樣U分量瓦糟，而不采樣V分量，而是在每一行掃描時(shí)赴蝇，只掃描一種U/V其中一種色度分量菩浙，而Y按照2：1的方式采樣。

舉例說明：

當(dāng)?shù)谝恍袙呙钑r(shí)句伶，YU按照2：1的方式采樣
當(dāng)?shù)诙袙呙钑r(shí)劲蜻，YV按照2：1的方式采樣

對于每個(gè)色度分量來說，在水平方向和豎直方向的采樣和 Y分享相比都是2：1

可以簡單的理解為：在田字格的4個(gè)像素點(diǎn)中考余，4個(gè)Y分量共用了一套UV分量先嬉，如圖所示

image

假設(shè)原始圖像的像素為（一對[]表示一個(gè)像素點(diǎn)）：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
[Y5, U5, V5]; [Y6, U6, V6]; [Y7, U7, V7]; [Y8, U8, V8];
將原始圖像像素按照YUV4:2:0采樣的碼流為：
Y0, U0, Y1, Y2, U2, Y3,
Y5, V5, Y6, Y7, V7, Y8,
最后映射還原的像素點(diǎn)為：
[Y0, U0, V5]; [Y1, U0, V5]; [Y2, U2, V7]; [Y3, U2, V7];
[Y5, U0, V5]; [Y6, U0, V5]; [Y7, U2, V7]; [Y8, U2, V7];

其映射過程如圖所示

image

總結(jié)

YUV4:4:4中Y、U楚堤、V分量的采樣比例相同疫蔓，既可以理解為原始圖像像素點(diǎn)原樣輸出，存儲空間沒有任何變化
YUV4:2:2采樣格式身冬，是指每采樣一個(gè)像素點(diǎn)衅胀，都會采樣Y分量，而U酥筝、V分量則會間隔一個(gè)采集一個(gè)滚躯，本質(zhì)是通過左右相鄰像素點(diǎn)共用U/V分量。相比RGB顏色編碼格式嘿歌，節(jié)省了 1/3的存儲空間掸掏，同時(shí)節(jié)約了在傳輸時(shí)的帶寬
YUV4:2:0采樣格式，是實(shí)際開發(fā)中最常用的顏色編碼格式宙帝，相比YUV4:2:2采樣格式阅束，更能節(jié)省空間。是指在2*2的田字格中有4個(gè)像素點(diǎn)茄唐，其中4個(gè)Y分量共用一套UV分量息裸，其本質(zhì)是通過田字格的上下左右像素點(diǎn)共用U/V分量

三蝇更、RGB — YUV 顏?色編碼轉(zhuǎn)換

對于圖像顯示器來說，它是通過 RGB 模型來顯示圖像的呼盆，而在傳輸圖像數(shù)據(jù)時(shí)又是使用 YUV 模型年扩，這是因?yàn)?YUV模
型可以節(jié)省帶寬。因此就需要采集圖像時(shí)將 RGB 模型轉(zhuǎn)換到 YUV 模型访圃，顯示時(shí)再將YUV 模型轉(zhuǎn)換為RGB 模型.

RGB 到 YUV的轉(zhuǎn)換厨幻，就是將圖像所有像素點(diǎn)的R、G腿时、B 分量轉(zhuǎn)換到 Y况脆、U、V分量批糟。
YUV 轉(zhuǎn)RGB

  R = Y + 1.14 * V
  G = Y - 0.39 * U - 0.58 * V 
  B = Y + 2.03 * U

RGB轉(zhuǎn)YUV

  Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
  U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B 
  V = 0.615 * R - 0.515 * G - 0.100 * B