RGB与YUV
什么是YUV
YUV也叫YCbCr模型，是相对于RGB模型的一种广泛使用的颜色表示模型，YUV格式是1938年由一个法国通信工程师M. Georges Valensi发明的。
YUV中的Y表示亮度luminance，UV表示色度chrominance；
我们知道人眼是个复杂的器官，有许多部分组成，但我们最感兴趣的是视锥细胞和视杆细胞。眼睛有1.2亿个视杆细胞和6百万个视锥细胞。让我们把颜色和亮度放在眼睛的功能部位上。视杆细胞主要负责亮度，而视锥细胞负责颜色，有三种类型的视锥，每个都有不同的颜料，叫做：S-视锥（蓝色），M-视锥（绿色），L-视锥（红色）。既然我们的视杆细胞（亮度）比视锥细胞多很多，一个合理的推断是相比颜色，我们有更好的能力去区分黑暗和光亮。
一旦我们知道我们对亮度（图像中的亮度）更敏感，我们就可以利用它，这样另一种模型被发明出来，能将亮度（光亮）和色度（颜色）分离开，它被称为 YCbCr*，也就是我们熟知的的YUV。
为什么用YUV
YUV主要是解决了两个问题，导致其被广泛运用。
1.YUV 可以完美兼容黑白电视机，黑白电视收到YUV信号时只需要丢掉UV显示Y即可。全球两大主要的电视广播制式(PAL/NTSC)都使用YUV作为信号传输格式。
2.YUV采样可以大大的节约存储空间和传输带宽。并且不会造成太多的信息丢失。如使用YUV420采样相较于RGB可以节约1/2的存储空间。
采样分类
-
4:4:4表示完全取样。
-
4:2:2表示2:1的水平取样，垂直完全采样。
-
4:2:0表示2:1的水平取样，垂直2：1采样。
-
4:1:1表示4:1的水平取样，垂直完全采样。
未采样前：
第一行四个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
第二行四个像素为：[Y4 U4 V4] [Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7 U7 V7]
4:2:0 采样
它指得是对每行扫描线来说，只有一种色度分量以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
第一行采样像素为：[Y0 U0 ] [Y1 ] [Y2 U2 ] [Y3 ]
第二行采样像素为：[Y4 V4] [Y5 ] [Y6 V6] [Y7 ]
映射的像素: [Y0 U0 V4] [Y1 U0 V4] [Y2 U2 V6] [Y3 U2 V6]
[Y4 U0 V4] [Y5 U0 V4] [Y6 U2 V6] [Y7 U2 V6]
4:1:1 采样
在水平方向上对色度进行4:1抽样
第一行采样像素为：[Y0 U0 ] [Y1 ] [Y2 V2 [Y3 ]
映射的像素: [Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]
存储格式
YUV 在存储上通常分为平面格式（Planar），半平面格式（Semi-Planar）以及打包格式（Packed）。
平面格式
平面格式有时也称为三面格式（Triplanar），即 Y, U, V 三个分量各自使用单独的数组保存，这种三平面分离的格式比较方便视频编码。
半平面格式
半平面格式有两个平面而不是三个，一个平面用于亮度，一个平面用于两个色度分量。它们有时也被称为双平面格式。
打包格式
在打包格式中，通常只有一个平面，所有亮度和色度数据交错。这类似于 RGB 像素格式，只是使用不同的颜色空间。
打包格式在网络摄像头中非常流行。在硬件中，使用单独的平面效率低下：每个像素需要多次内存访问。打包格式更容易，因此使用起来更便宜。
另一方面，数据包格式通常无法处理垂直子采样。否则，扫描线将具有不同的大小。因此，通常，打包格式是水平子采样的，尤其是 2 倍（即 YUV 4：2：2）。
| 存储格式 | 采样形式 | 格式名称 | 格式说明 | 第一平面 | 第二平面 | 第三平面 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Planar | YUV 4:2:0 | I420/YU2 |
12bits per Pixel 3planars |
YYYY... | U... | V... |
| Planar | YUV 4:2:0 | J420 | 于I420存储相同，但具有完整范围（0-255，full range）的亮度（Y）分量，而不是有限范围（16-240，limited range，在 iOS 上也叫做 video range） | YYYY... | U... | V... |
| Planar | YUV 4:2:0 | YV12 | 改变UV存储顺序 | YYYY... | V... | U... |
| Planar | YUV 4:2:0 | IMC1 |
16 Bits per Pixel 3 Planars |
YYYY... | V... | U... |
| Planar | YUV 4:2:0 | IMC3 |
16 Bits per Pixel 3 Planars |
YYYY... | U... | V... |
| Planar | YUV 4:2:2 | I422 |
16 Bits per Pixel 3 Planars |
YYYY... | UU... | VV... |
| Planar | YUV 4:2:2 | J422 | 与I422相同，但具有完整范围（0-255，full range）的亮度（Y）分量，而不是有限范围（16-240，limited range，在 iOS 上也叫做 video range） | YYYY... | UU... | VV... |
| Planar | YUV 4:4:4 | I444 |
24 Bits per Pixel 3 Planars |
YYYY... | UUUU... | VVVV... |
| Semi-Planar | YUV 4:2:0 | NV12 |
12 Bits per Pixel 2 Planars |
YYYY... | UV... | |
| Semi-Planar | YUV 4:2:0 | NV21 |
12 Bits per Pixel 2 Planars |
YYYY... | VU... | |
| Packed | YUV 4:2:2 | YUYV (V422 / YUY2 / YUNV) |
16 Bits per Pixel 1 Planars |
YUYV YUYV YUYV ... | ||
| Packed | YUV 4:2:2 | YVYU |
16 Bits per Pixel 1 Planars |
YVYU YVYU YVYU ... | ||
| Packed | YUV 4:2:2 | UYVY(Y422 / UYNV) |
16 Bits per Pixel 1 Planars |
UYVY UVUY UVUY ... | ||
| Packed | YUV 4:4:4 | AYUV |
24 Bits per Pixel 1 Planars A 指 alpha 通道 |
VUYA VYUA VYUA ... | ||
1.为什么系数有变化？
由RGB计算YUV的系数有非常多种版本：BT601、BT709、BT2020、甚至PAL、NTSC等，都规定了不同版本的加权系数，上表只标明了BT601和BT709的。
2.YUV和YCbCr什么关系？
以前YUV特指模拟信号，YCbCr特指数字信号；但现在说法已经没有那么严格，基本可以等同了
3.为什么Y的取值范围是16~235？
为了规避吉布斯现象。YUV的取值范围有以下两种，适用于不同的传输方式：
Studio swing/TV levels：用于电视广播传输，Y的范围是16~235，UV范围是16~240。传输时由于频域可能丢失或截断，接收端的空域像素值会失真，出现吉布斯现象。失真与原始空域信号的最大差值为8.9%，因此传输端将有效信号值限制在一定范围内，避免接受端产生小于0或大于255的无效值。 注：(255-235)/(235-16)=9.1%，16/(235-16)=7.3%
转换
RGB 与 YUV 转换
4:2:0与4:2:2转换
最简单的方式：
YUV4:2:2 —> YUV4:2:0 Y不变，将U和V信号值在行(垂直方向)在进行一次隔行抽样。
YUV4:2:0 —> YUV4:2:2 Y不变，将U和V信号值的每一行分别拷贝一份形成连续两行数据。
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