音视频开发—视频相关概念:YUV与RGB

YUV相关概念

YUV 是一种颜色编码格式，用于视频和图像处理。它与 RGB（红、绿、蓝）颜色模型不同，将颜色信息分为亮度（Y）和色度（U 和 V）分量。YUV 格式主要用于模拟视频和数字视频系统。

组成部分

1. Y（亮度）：

   • 代表图像的明暗信息。
   • 不包含颜色信息，仅表示图像的亮度。

2. U 和 V（色度）：

   • U（蓝色色度）和 V（红色色度）代表颜色信息。
   • 这些分量描述颜色的饱和度和色调。

优点

• 带宽效率：通过分离亮度和色度分量，可以在压缩视频时减少带宽需求，因为人眼对亮度的变化比对色度的变化更敏感。
• 兼容性：YUV 格式与黑白电视兼容，因为黑白电视只读取亮度信息。

常见的 YUV 格式

• YUV 4:4:4：每个像素都有完整的亮度和色度信息。

  

• YUV 4:2:2：色度分量的水平分辨率是亮度分量的一半。
  

• YUV 4:2:0：色度分量的水平和垂直分辨率都是亮度分量的一半。

  4:2:0 表示在一个 2x2 的像素块中，亮度（Y）分量有 4 个样本，而色度（U 和 V）分量各有 1 个样本。这意味着色度信息的水平和垂直分辨率都是亮度分辨率的一半。

  

YUV 格式广泛应用于视频压缩、电视广播和各种视频处理任务中。

RGB 和 YUV 是两种不同的颜色编码方式，各有其特定的应用场景和优缺点。它们之间的关系可以通过颜色空间转换来理解。

数据量的计算

YUV = Y*1.5

在 YUV 4:2:0 采样格式下，YUV 数据量是亮度（Y）数据量的 1.5 倍。这是因为：

1. 亮度数据：每个像素都有一个 Y 分量。
2. 色度数据：每 4 个像素共享 1 个 U 分量和 1 个 V 分量（在一个 2x2 像素块中）。

假设一个图像有 N 个像素：

• 亮度（Y）数据量：N 个样本。
• 色度（U 和 V）数据量：每个色度分量有 N/4 个样本，因此两个色度分量共计 N/2 个样本。

总的数据量 = Y 数据量 + U 数据量 + V 数据量 = N + N/4 + N/4 = N + N/2 = 1.5N

因此，YUV 数据量是亮度（Y）数据量的 1.5 倍。

YUV = RGB / 2

这个表达式表明，在数据量上，YUV 4:2:0 格式比 RGB 格式节省一半的数据量。这是因为：

• RGB 格式：每个像素有 3 个分量（R、G、B），总数据量是 3N（N 是像素数）。
• YUV 4:2:0 格式：总数据量是 1.5N（如上所述）。

将 YUV 数据量与 RGB 数据量比较：YUV = RGB / 2

这意味着 YUV 4:2:0 格式的数据量是 RGB 格式数据量的一半。

这两个表达式说明了 YUV 4:2:0 在视频压缩中的优势，即通过减少色度数据量，显著降低了总数据量，而不显著影响视觉质量。

YUV4:2:0 存储格式

是安装分层存储的，先按照Y分量存储，最后读取UV相关的，兼容性比较好，黑白电视直接读取，前四行即可。YUV的关系为 4个Y 对应一个U 一个V

平面模式（planar):

1. Y 平面：首先存储所有像素的亮度数据（Y 分量）。
2. U 平面：接着存储所有像素的色度数据（U 分量），每个色度值对应 2x2 像素块。
3. V 平面：最后存储所有像素的色度数据（V 分量），每个色度值对应 2x2 像素块。

假设图像尺寸为 W×H，则：

• Y 平面大小：W×H
• U 平面大小：W/2×H/2
• V 平面大小：W/2×H/2

总数据量为：W×H + (W×H)/4 + (W×H)/4 = W×H × 1.5

I420 : YYYYYYYY UU VV ------------>YUV420P

YV12: YYYYYYYY VV UU------------>YUV420P

打包模式（packed）

在某些情况下，色度分量 U 和 V 可以交织存储，以减少存取操作的复杂性。

在这种模式下，U 和 V 的存储大小与平面模式相同，但存储顺序不同。

常见的格式有NV12 和NV21

NV12： YYYYYYYY UVUV ---------->YUV420SP

NV21： YYYYYYYY VUVU ---------->YUV420SP

RGB 和 YUV 的定义

• RGB（红、绿、蓝）：

  • 一种加色法颜色模型，通过混合红色、绿色和蓝色光来创建各种颜色。
  • 常用于显示器、相机和其他捕获设备。

• YUV（亮度、色度 - U 和 V）：

  • 将颜色信息分为亮度（Y）和两个色度分量（U 和 V）。
  • 主要用于视频压缩和传输。

关系与转换

RGB 到 YUV 的转换

RGB 转 YUV 可以通过以下数学公式实现：

[ Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B ]
[ U = 0.492 (B - Y) ]
[ V = 0.877 (R - Y) ]

这些公式表示如何从 RGB 值计算 YUV 值。

YUV 到 RGB 的转换

从 YUV 转回 RGB 可以通过以下公式：

[ R = Y + 1.140V ]
[ G = Y - 0.395U - 0.581V ]
[ B = Y + 2.032U ]

使用场景

• RGB：用于需要精确颜色表示的应用，如计算机图形学、图像编辑和显示设备。
• YUV：用于视频压缩和传输，因其更有效的带宽利用和与模拟电视的兼容性。

优缺点

• RGB：

  • 优点：直观，易于理解和操作。
  • 缺点：不适合视频压缩，带宽需求较高。

• YUV：

  • 优点：更适合视频压缩，带宽效率高，兼容性好。
  • 缺点：需要转换过程，色彩操作较复杂。

总的来说，RGB 和 YUV 各有优势，具体选择取决于应用需求和具体场景。