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视频格式YUV详解

2018.04.14 02:55 2661浏览

什么是YUV

YUV(也称YCbCr)是电视系统所采用的一种颜色编码方法。其中 Y 表示明亮度,也就是灰阶值,它是基础信号;U 和 V 表示的则是色度,UV 的作用是描述影像色彩及饱和度,它们用于指定像素的颜色。U和V不是基础信号,它俩都是被正交调制的.

YUV与RGB视频信号相比,最大的优点在于只需占用极少的带宽,YUV只需要占用RGB一半的带宽。

YUV采样格式

主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4 ,其中 YCbCr 4:2:0是最常用的采样格式。

YUV 4:4:4

YUV三个信道的抽样率相同,因此在生成的图像里,每个象素的三个分量信息完整(每个分量通常8比特),经过8比特量化之后,未经压缩的每个像素占用3个字节。

下面的四个像素为: 
					[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的码流为:     
					Y0 U0 V0    Y1 U1 V1   Y2 U2 V2   Y3 U3 V3

YUV 4:2:2

每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半,所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说,每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。

下面的四个像素为:
					[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的码流为:    
					Y0 U0       Y1 V1      Y2 U2      Y3 V3
映射出像素点为:  
					[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

YUV4:2:0

4:2:0并不意味着只有Y、Cb两个分量,而没有Cr分量。它实际指得是对每行扫描线来说,只有一种色度分量,它以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量,也就是说,如果一行是4:2:0的话,下一行就是4:0:2,再下一行是4:2:0…以此类推。对每个色度分量来说,水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1,所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说,每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

下面八个像素为:
				[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
				[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7 U7 V7] [Y8 U8 V8]
              
存放的码流为:	 
				Y0 U0      Y1         Y2 U2      Y3
				Y5 V5      Y6         Y7 V7      Y8
				 
映射出的像素点为:
				[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7]
				[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7 U2 V7] [Y8 U2 V7]

图形表式法

我们用三个图来直观地表示采集的方式吧,以黑点表示采样该像素点的Y分量,以空心圆圈表示采用该像素点的UV分量。

YUV

YUV 4:4:4采样,每一个Y对应一组UV分量。
YUV 4:2:2采样,每两个Y共用一组UV分量。
YUV 4:2:0采样,每四个Y共用一组UV分量,如图中的红色部分。

存储格式

YUV存储格式分为两大类:planar(平面)格式 和 packed(打包)格式。对于planar格式,先连续存储所有像素点的Y分量,紧接着存储所有像素点的U分量,最后是所有像素点的V分量。对于packed格式,每个像素点的 Y、U、V 分量是连续交叉存储的。由于我们比较常用的是YUV 4:2:0格式,所以我们下面只介绍它的存储格式,其它如YUV 4:4:4 和 YUV 4:2:2请大家参阅其它文章。

YUV420P中的Y、U、V分量都是平面格式,如下图所示:

yuv420p

YUV420P又分为 I420 和 YV12 两种格式。I420格式和YV12格式的不同处在U平面和V平面的位置不同。在I420格式中,U平面紧跟在Y平面之后,然后才是V平面(即:YUV);但YV12则是相反(即:YVU)。

I420: YYYYYYYY UU VV    =>YUV420P
YV12: YYYYYYYY VV UU    =>YUV420P

YUV420SP中的Y分量为平面格式,UV分量为打包格式,即 U 和 V 分量交错排列。如下图所示:

yuv420sp.png

YUV420SP也分为两种格式 NV12 和 NV21,这两种格式的不同在于UV交错排列的顺序不同。

NV12: YYYYYYYY UVUV     =>YUV420SP
NV21: YYYYYYYY VUVU     =>YUV420SP

小结

本篇文章为大家介绍了什么是YUV,YUV和采样格式及其存储格式。这里并没有介绍RGB与YUV之间的转换,有兴趣的同学可以自行查阅相关信息。

YUV格式是做音视频直播的一个基本知识点,所以这也是我音视频直播系列文章中的一节,希望大家喜欢,如有不足也请指正。

后面我还会有更多精彩的文章,也希望大家关注我的头条号。

参考

我的视频课

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