一文读懂 YUV 的采样与格式

YUV 是一种颜色编码方法，和它等同的还有 RGB 颜色编码方法。

RGB 颜色编码

RGB 三个字母分别表明了 红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue），这三种颜色称为 三原色，将它们以不一样的比例相加，能够产生多种多样的颜色。

在图像显示中，一张 1280 * 720 大小的图片，就表明着它有 1280 * 720 个像素点。其中每个像素点的颜色显示都采用 RGB 编码方法，将 RGB 分别取不一样的值，就会展现不一样的颜色。

RGB 图像中，每一个像素点都有红、绿、蓝三个原色，其中每种原色都占用 8 bit，也就是一个字节，那么一个像素点也就占用 24 bit，也就是三个字节。

一张 1280 * 720 大小的图片，就占用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存储空间。

YUV 颜色编码

YUV 颜色编码采用的是 明亮度 和 色度 来指定像素的颜色。

其中，Y 表示明亮度（Luminance、Luma），而 U 和 V 表示色度（Chrominance、Chroma）。

而色度又定义了颜色的两个方面：色调和饱和度。

使用 YUV 颜色编码表示一幅图像，它应该下面这样的：

和 RGB 表示图像相似，每一个像素点都包含 Y、U、V 份量。可是它的 Y 和 UV 份量是能够分离的，若是没有 UV 份量同样能够显示完整的图像，只不过是黑白的。

对于 YUV 图像来讲，并非每一个像素点都须要包含了 Y、U、V 三个份量，根据不一样的采样格式，能够每一个 Y 份量都对应本身的 UV 份量，也能够几个 Y 份量共用 UV 份量。

RGB 到 YUV 的转换

对于图像显示器来讲，它是经过 RGB 模型来显示图像的，而在传输图像数据时又是使用 YUV 模型，这是由于 YUV 模型能够节省带宽。所以就须要采集图像时将 RGB 模型转换到 YUV 模型，显示时再将 YUV 模型转换为 RGB 模型。

RGB 到 YUV 的转换，就是将图像全部像素点的 R、G、B 份量转换到 Y、U、V 份量。

有以下公式进行转换：

此时的转换结束后，每一个像素点都有完整的 Y、U、V 份量。而以前提到 Y 和 UV 份量是能够分离的，接下来经过不一样的采样方式，能够将图像的 Y、U、V 份量从新组合。

接下来的不一样采样格式都是在一张图像全部像素的 RGB 转换到 YUV 基础上进行的。

YUV 采样格式

YUV 图像的主流采样方式有以下三种：

• YUV 4:4:4 采样
• YUV 4:2:2 采样
• YUV 4:2:0 采样

YUV 4:4:4 采样

YUV 4:4:4 采样，意味着 Y、U、V 三个份量的采样比例相同，所以在生成的图像里，每一个像素的三个份量信息完整，都是 8 bit，也就是一个字节。

以下图所示：

其中，Y 份量用叉表示，UV 份量用圆圈表示。

举个例子 ：

假如图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

那么采样的码流为：Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 

最后映射出的像素点依旧为 [Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3] 
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能够看到这种采样方式的图像和 RGB 颜色模型的图像大小是同样，并无达到节省带宽的目的，当将 RGB 图像转换为 YUV 图像时，也是先转换为 YUV 4:4:4 采样的图像。

YUV 4:2:2 采样

YUV 4:2:2 采样，意味着 UV 份量是 Y 份量采样的一半，Y 份量和 UV 份量按照 2 : 1 的比例采样。若是水平方向有 10 个像素点，那么采样了 10 个 Y 份量，而只采样了 5 个 UV 份量。

以下图所示：

其中，Y 份量用叉表示，UV 份量用圆圈表示。

举个例子 ：
  
 假如图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

 那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 

 其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 份量，而 U、V 份量就会间隔一个采集一个。

 最后映射出的像素点为 [Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]
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采样的码流映射为像素点，仍是要知足每一个像素点有 Y、U、V 三个份量。可是能够看到，第一和第二像素点公用了 U0、V1 份量，第三和第四个像素点公用了 U二、V3 份量，这样就节省了图像空间。

一张 1280 * 720 大小的图片，在 YUV 4:2:2 采样时的大小为：

（1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.5 * 8 * 2）/ 8 / 1024 / 1024 = 1.76 MB 。

能够看到 YUV 4:2:2 采样的图像比 RGB 模型图像节省了三分之一的存储空间，在传输时占用的带宽也会随之减小。

YUV 4:2:0 采样

YUV 4:2:0 采样，并非指只采样 U 份量而不采样 V 份量。而是指，在每一行扫描时，只扫描一种色度份量（U 或者 V），和 Y 份量按照 2 : 1 的方式采样。好比，第一行扫描时，YU 按照 2 : 1 的方式采样，那么第二行扫描时，YV 份量按照 2:1 的方式采样。对于每一个色度份量来讲，它的水平方向和竖直方向的采样和 Y 份量相比都是 2:1 。

以下图所示：

其中，Y 份量用叉表示，UV 份量用圆圈表示。

假设第一行扫描了 U 份量，第二行扫描了 V 份量，那么须要扫描两行才可以组成完整的 UV 份量。

举个例子 ：
 
假设图像像素为：
 
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]
 
那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
 
其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 份量，而 U、V 份量就会间隔一行按照 2 : 1 进行采样。
 
最后映射出的像素点为：

[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V6]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V8]
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从映射出的像素点中能够看到，四个 Y 份量是共用了一套 UV 份量，并且是按照 2*2 的小方格的形式分布的，相比 YUV 4:2:2 采样中两个 Y 份量共用一套 UV 份量，这样更可以节省空间。

一张 1280 * 720 大小的图片，在 YUV 4:2:0 采样时的大小为：

（1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.25 * 8 * 2）/ 8 / 1024 / 1024 = 1.32 MB 。

能够看到 YUV 4:2:0 采样的图像比 RGB 模型图像节省了一半的存储空间，所以它也是比较主流的采样方式。

YUV 存储格式

说完了采样，接下来就是如何把采样的数据存储起来。

YUV 的存储格式，有两种：

• planar 平面格式
  • 指先连续存储全部像素点的 Y 份量，而后存储 U 份量，最后是 V 份量。
• packed 打包模式
  • 指每一个像素点的 Y、U、V 份量是连续交替存储的。

根据采样方式和存储格式的不一样，就有了多种 YUV 格式。这些格式主要是基于 YUV 4:2:2 和 YUV 4:2:0 采样。

常见的基于 YUV 4:2:2 采样的格式以下表：

YUV 4:2:2 采样
YUYV 格式
UYVY 格式
YUV 422P 格式

常见的基于 YUV 4:2:0 采样的格式以下表：

	YUV 4:2:0 采样	YUV 4:2:0 采样
YUV 420P 类型	YV12 格式	YU12 格式
YUV 420SP 类型	NV12 格式	NV21 格式

更多的 YUV 格式信息参考这里：YUV pixel formats

基于 YUV 4:2:2 采样的格式

YUV 4:2:2 采样规定了 Y 和 UV 份量按照 2: 1 的比例采样，两个 Y 份量公用一组 UV 份量。

YUYV 格式

YUYV 格式是采用打包格式进行存储的，指每一个像素点都采用 Y 份量，可是每隔一个像素采样它的 UV 份量，排列顺序以下：

Y0 UO Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 份量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 份量....

UYVY 格式

UYVY 格式也是采用打包格式进行存储，它的顺序和 YUYV 相反，先采用 U 份量再采样 Y 份量，排列顺序以下：

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 份量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 份量....

根据 UV 和 Y 的顺序还有其余格式，好比，YVYU 格式，VYUY 格式等等，原理大体同样了。

YUV 422P 格式

YUV 422P 格式，又叫作 I422，采用的是平面格式进行存储，先存储全部的 Y 份量，再存储全部的 U 份量，再存储全部的 V 份量。

基于 YUV 4:2:0 采样的格式

基于 YUV 4:2:0 采样的格式主要有 YUV 420P 和 YUV 420SP 两种类型，每一个类型又对应其余具体格式。

• YUV 420P 类型
  • YU12 格式
  • YV12 格式
• YUV 420SP 类型
  • NV12 格式
  • NV21 格式

YUV 420P 和 YUV 420SP 都是基于 Planar 平面模式 进行存储的，先存储全部的 Y 份量后， YUV420P 类型就会先存储全部的 U 份量或者 V 份量，而 YUV420SP 则是按照 UV 或者 VU 的交替顺序进行存储了，具体查看看下图：

YUV420SP 的格式：

YUV420P 的格式：

YU12 和 YV12 格式

YU12 和 YV12 格式都属于 YUV 420P 类型，即先存储 Y 份量，再存储 U、V 份量，区别在于：YU12 是先 Y 再 U 后 V，而 YV12 是先 Y 再 V 后 U 。

YV 12 的存储格式以下图所示：

YU 12 又称做 I420 格式，它的存储格式就是把 V 和 U 反过来了。

NV12 和 NV21 格式

NV12 和 NV21 格式都属于 YUV420SP 类型。它也是先存储了 Y 份量，但接下来并非再存储全部的 U 或者 V 份量，而是把 UV 份量交替连续存储。

NV12 是 IOS 中有的模式，它的存储顺序是先存 Y 份量，再 UV 进行交替存储。

NV21 是 安卓 中有的模式，它的存储顺序是先存 Y 份量，在 VU 交替存储。

小结

以上就是关于 YUV 的知识总结，你有看明白了嘛？

参考

1. blog.csdn.net/grow_mature…
2. www.cnblogs.com/azraelly/ar…
3. blog.csdn.net/MrJonathan/…
4. blog.csdn.net/wudebao5220…
5. msdn.microsoft.com/zh-cn/libra…
6. www.fourcc.org/yuv.php

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