YUV图像浅析(1)

 

0.引言

本篇文案重点讲解YUV格式和内存摆列，看完本篇文案，能够快速对YUV格式有个更清楚的认识。

从下图就能够看出，YUV4:1:1，YUV4:2:0，就压缩的最厉害。一般在网络传输时，通常在送到编码之前，都转换作为这2种格式。

1.YUV简述

yuv是欧洲电视系统采用的颜色编码办法之一，包括一个亮度信号Y和两个色差信号U、V。yuv格式能够优化彩色视频信号数据的存储方式。与RGB格式相比，最大的优良在于只需占用极少的数据存储空间，使得数据传输更为简易。

yuv中，“Y”暗示明亮度，亦便是灰阶值；而“U”和“V”暗示的则是色度，色度的功效是记录图像色彩及饱和度。“亮度”是透过输入信号来创立的，办法是将信号的特定部分叠加到一块。“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用Cr和Cb来暗示。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

采用yuv色彩空间的重要性是它的亮度信号y和色度信号u、v是分离的。倘若仅有y信号分量而无u、v分量，那样这般暗示的图像便是黑白灰度图像。彩色电视采用yuv空间正是为了用亮度信号y处理彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机亦能接收彩色电视信号。

2.YUV采样格式

重点的采样格式有YCbCr：4:4:4、YCbCr：4:2:2、YCbCr：4:2:0、以及YCbCr：4:2:1，举例说明中YCbCr：4:1:1为常用的采样格式，其含义为：每一个点保留一个8bit的亮度值(亦便是Y值)，每4个点保留一个Cr和Cb值，Cr和Cb像素点在肉眼中的感觉不会起太大的变化。因此，原来用RGB(R，G，B都是8bit unsigned)模型，即1个点需要24bits。如果按YCbCr：4:1:1采样后，平均每一个点仅需要8+8/4+8/4=12bits。这般就把图像的数据压缩了一半。下面对这几种格式做仔细介绍。

(1)YUV 4:4:4

YUV三个采样数据完整存储，不存在任何数据损失与压缩，当然数据存储体积不变，与格式相同。如下图:

每一个交叉暗示一个Y值数据，每一个圆圈暗示一个U值与V值数据，图中为每一个Y值对应一个U值与V值，整体为一个像素点，该像素点数据保留完整。

交错格式存储如下:

YUV数据在内存中的存储方式，每3个为一组，为方便32位计算机的按位直接读取，一般在每组YUV值后会填充一个A值，使得每次读取数值为32位，增多读取速度。

(2)YUV 4:2:2

灰度值数据Y完整读取，色度U与V仅保存本来的一半，取每行像素点的奇数位的UV值进行保留。此处UV数据压缩百分之五十，Y数据不变，压缩比为1-(4+2+2)/(4+4+4)*100%=33.33%）。因像素点在屏幕表示后，图像颜色的失真针对观察者来讲并不会影响图像的质量与观赏度，因此能够按此法进行压缩。如下图所示:

交错格式存储如下:

每一个交叉暗示一个Y值数据，每一个圆圈暗示一个U值与V值数据，图中为每两个Y值对应一个U值与V值，整体为两个像素点，两像素点共用一个相同的色度差，利用物体颜色在两个像素的距离内不会变化过大的原理，恰当压缩图像数据。

为YUV数据在内存中的存储方式，每4个为一组，其中奇数位为Y值，偶数位为U值与V值，32位计算机在读取时能够一次恰好读取一组YUV数据，其中包含两个Y值与其共用的一个U值与V值。

(3)YUV 4:1:1

灰度值数据Y依旧完整读取，而色度U与V仅保存本来的四分之一，取每两行像素点的左上位置的UV值进行保留。此处数据压缩百分之七十五，Y数据不变，压缩比为1-(4+1+1)/(4+4+4)*100%=50%）。一样利用因像素点在屏幕表示后，图像颜色的失真针对观察者来讲并不会影响图像的质量与观赏度，既然YUV4:2:2能够横向压缩，因此YUV 4:1:1能够增多纵向压缩，达到更加高的压缩比例，但需要付出数据较难处理的代价。如下图所示:

每一个交叉暗示一个Y值数据，每一个圆圈暗示一个U值与V值数据，图中为每四个Y值对应一个U值与V值，整体为四个像素点，四个像素点共用一个相同的色度差，一样利用物体颜色在两个像素的距离内不会变化过大的原理，恰当压缩图像数据。内存摆列如下图所示:

上图中，为YUV 4:1:1数据在内存中的存储方式，与YUV 4:4:4、YUV 4:2:2区别的是，虽然YUV 4:1:1压缩比最大，需要存储的数据最少，然则其存储方式是最为繁杂的，需要运用三个Buffer依次存取Y，U，V，三值，此存储方式节约了存储内存空间与数据进行传送时的网络传输带宽，增多了编程人员对数据还原表示处理的难度。

确定图像的存储方式关系到数据在内存中的存储方式，当进行图像合并时，需要对内存中的数据进行修改，以达到合并图像的效果，因此认识图像存储方式至关重要。

重视:尽管上面列举出了有些常用的格式，然则还是有非常多格式亦是有用到的，实质遇到采集与编码格式区别，或解码与播放格式区别，就需要进行格式转换。理解清楚这些格式转换就晓得怎么去转换了，当然倘若搞不清这种数据关系，亦有库能够用。

3.其它

如WebRTC库中源码针对图像类的命名为I420，初步猜测为YUV4:2:0格式。但在interface文件I420videoframe.h中观察创建图像的办法与其参数：

int CreateFrame(int size_y，const uint8_t & buffer_y，int size_U，const uint8_t & buffer_U， int size_V，const uint8_t & buffer_V，int width，intheigth,int stride_y，int stride_u，int stride_v)

推断其实质存储方式为YUV4:1:1，由于参数中包括三个Buffer，分别为bufferY，bufferU以及bufferV，以及她们对应的体积。

事实上，WebRTC做为视频通话的研发库，其思虑最优先的必然是最大化压缩数据，减少需要网络传输的数据，减少视频通话与现实中的延迟，在使得视频通话顺畅的基本上，再进行画质的改善。因此呢WebRTC选取YUV4:1:1为恰当选取，但此图像格式处理的方式较为困难，后面文案再介绍下怎么转换的算法。

4.总结

本文用一篇非常简短的文案，再次讲述了YUV格式和内存摆列，后面有机会再继续讲讲一些转换算法和RGB格式。欢迎关注，保藏，转发，分享。

后期关于项目知识，亦会更新在微X公众号“记录世界 from antonio”，欢迎关注