YUV/RGB數(shù)據(jù)格式

目錄

  1. YUV的原理
  2. YUV的取值范圍
  3. YUV的存儲(chǔ)格式
  4. YUV的采樣格式
  5. 存儲(chǔ)方式
  6. 10bit YUV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)
  7. RGB的格式

參考

1. YUV的原理

YUV 的原理是把亮度（Luma）與色度（Chroma）分離。
“Y”表示亮度，也就是灰度值。
“U”表示藍(lán)色通道與亮度的差值。
“V”表示紅色通道與亮度的差值。

其中 Y 信號(hào)分量除了表示亮度信號(hào)外，還含有較多的綠色通道量，單純的 Y 分量可以顯示出完整的黑白圖像。
U、V 分量分別表示藍(lán) (blue)、紅 (red) 分量信號(hào)，只含有色度信息，所以 YUV 也稱(chēng)為 YCbCr，其中，Cb、Cr的含義等同于U、V，C 可以理解為 component 或者 color。

RGB 轉(zhuǎn) YUV 的公式能更好地反應(yīng) YUV 與 RGB 的關(guān)系，以及為什么稱(chēng)為 YCbCr：


yuv1.png

RGB與YUV的變換公式如下：


yuv_rgb.jpg

有時(shí)候遇到播放問(wèn)題會(huì)看到純綠色的圖像，可能是由某些錯(cuò)誤導(dǎo)致YUV值為（0,0,0）引起的，YUV(0,0,0)對(duì)應(yīng)RGB為(0,135,0)，正好為綠色。

RGB和YUV互轉(zhuǎn)的網(wǎng)頁(yè)小工具：
https://www.mikekohn.net/file_formats/yuv_rgb_converter.php

在RGB色彩空間中，三個(gè)顏色的重要程度相同，所以需要使用相同的比特進(jìn)行存儲(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)亮度的敏感超過(guò)色度。將圖像的亮度信息和顏色信息分離，并使用不同的分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣在對(duì)主觀感覺(jué)影響很小的前提下，可以更加有效地存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。

2. YUV的取值范圍

與RGB每個(gè)像素點(diǎn)的每個(gè)分量取值范圍為0-255不同（每個(gè)分量占8bit），YUV取值范圍有兩種：

  1. 以Rec.601為代表（還包括BT.709 / BT.2020）的廣播電視標(biāo)準(zhǔn)中，Y的取值范圍是16-235，U、V的取值范圍是16-240。FFmpeg中稱(chēng)之為“mpeg”范圍。
  2. 以JPEG為代表的標(biāo)準(zhǔn)中，Y、U、V的取值范圍都是0-255。FFmpeg中稱(chēng)之為“jpeg” 范圍。

實(shí)際中最常見(jiàn)的是第1種取值范圍的YUV（可以自己觀察一下YUV的數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中亮度分量沒(méi)有取值為0、255這樣的數(shù)值）。很多人在這個(gè)地方會(huì)有疑惑，為什么會(huì)去掉“兩邊”的取值呢？

原因：

  • 在廣播電視系統(tǒng)中不傳輸很低和很高的數(shù)值，實(shí)際上是為了防止信號(hào)變動(dòng)造成過(guò)載，因而把這“兩邊”的數(shù)值作為“保護(hù)帶”[4]。

下面這張圖是數(shù)字電視中亮度信號(hào)量化后的電平分配圖。從圖中可以看出。

  • 對(duì)于8bit量化來(lái)說(shuō)，信號(hào)的白電平為235，對(duì)應(yīng)模擬電平為700mV。
  • 黑電平為16，對(duì)應(yīng)模擬電平為0mV。
  • 信號(hào)上方的“保護(hù)帶”取值范圍是236至254，而信號(hào)下方的“保護(hù)帶”取值范圍是1-15。
  • 最邊緣的0和255兩個(gè)電平是保護(hù)電平，是不允許出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中的。

與之類(lèi)似，10bit量化的時(shí)候，白電平是235*4=940，黑電平是16*4=64。


quantization_yuv.jpg

下面兩張圖是數(shù)字電視中色度信號(hào)量化后的電平分配圖。可以看出：

  • 色度最大正電平為240，對(duì)應(yīng)模擬電平為+350mV。
  • 色度最大負(fù)電平為16，對(duì)應(yīng)模擬電平為-350mV。
  • 需要注意的是，色度信號(hào)數(shù)字電平128對(duì)應(yīng)的模擬電平是0mV。
quantization_2.jpg

quantization_3.jpg

3. YUV的存儲(chǔ)格式

YUV格式有兩大類(lèi)：planar和packed。

對(duì)于 planar 的 YUV 格式，先連續(xù)存儲(chǔ)所有像素點(diǎn)的 Y，緊接著存儲(chǔ)所有像素點(diǎn)的 U，隨后是所有像素點(diǎn)的 V。相當(dāng)于將 YUV 拆分成三個(gè)平面 (plane) 存儲(chǔ)。

對(duì)于 packed 的 YUV 格式，每個(gè)像素點(diǎn)的 Y，U，V 是連續(xù)交替存儲(chǔ)的。

4. YUV的采樣格式

主要的采樣格式有YUV4:4:4、YUV4:2:2、YUV4:2:0 ，其中YUV4:2:0是最常用的采樣格式。

采樣就是根據(jù)一定的間隔取值。其中的比例是指 Y、U、V 表示的像素，三者分別占的比值。

下圖是YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0的采樣示意圖。
image
  • YUV 4:4:4采樣，每一個(gè)Y對(duì)應(yīng)一組UV分量。
  • YUV 4:2:2采樣，每?jī)蓚€(gè)Y共用一組UV分量。
  • YUV 4:2:0采樣，每四個(gè)Y共用一組UV分量。

5. 存儲(chǔ)方式

下面用圖的形式給出常見(jiàn)的YUV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，并在后面附有取樣每個(gè)像素點(diǎn)的YUV數(shù)據(jù)的方法。

(1) YUYV 格式 （屬于YUV422）


YUYV.png

相鄰的兩個(gè)Y共用其相鄰的兩個(gè)Cb、Cr，對(duì)于像素點(diǎn)Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均為 Cb00、Cr00，其他的像素點(diǎn)的YUV取值依次類(lèi)推。

(2) UYVY 格式 （屬于YUV422）


YUYV.png

與YUYV不同的是UV的排列順序不一樣，還原其每個(gè)像素點(diǎn)的YUV值的方法與上面一樣。

(3) YUV422P（屬于YUV422）


YUV422P.png

YUV422P是一種平面模式，其每一個(gè)像素點(diǎn)的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法，即兩個(gè)Y共用一個(gè)UV。比如，對(duì)于像素點(diǎn)Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均為 Cb00、Cr00。

(4) YUV420P格式（屬于YUV420）


YV12.png

YUV420P，Y，U，V三個(gè)分量都是平面格式，分為I420和YV12。I420格式和YV12格式的不同處在U平面和V平面的位置不同。注意，上圖中，Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00，其他依次類(lèi)推。在I420格式中，U平面緊跟在Y平面之后，然后才是V平面（即：YUV）；但YV12則是相反（即：YVU）。

YUV420p.png

I420: YYYYYYYY UU VV
YV12: YYYYYYYY VV UU

(5) NV12、NV21（YUV420sp，屬于YUV420）


NV12.png

這兩種格式的不同在于UV交錯(cuò)排列的順序不同，是一種two-plane模式，即Y和UV分為兩個(gè)Plane，但是UV（CbCr）為交錯(cuò)存儲(chǔ)，而不是分為三個(gè)plane。其提取方式與上一種類(lèi)似，即Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00，其他依次類(lèi)推。

假設(shè)一個(gè)分辨率為8X4的YUV圖像，它們的格式如下圖：
YUV420sp格式如下圖

YUV420sp.png

NV12: YYYYYYYY UVUV
NV21: YYYYYYYY VUVU

以w*h大小圖像的YUV420數(shù)據(jù)為例，
其存儲(chǔ)格式是： 共大小為(w * h * 3/2)字節(jié)，
Y分量：(w * h)個(gè)字節(jié)
U(Cb)分量：(w * h/4)個(gè)字節(jié)
V(Cr)分量：(w * h/4)個(gè)字節(jié)

6. 10bit YUV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

常見(jiàn)的yuv數(shù)據(jù)，每個(gè)像素的一個(gè)通道一般是占用一個(gè)字節(jié)即8bit。而HDR常用的標(biāo)準(zhǔn)HDR10，數(shù)據(jù)是10bit的。

10bit數(shù)據(jù)是怎么存儲(chǔ)的呢？我們一般會(huì)有兩種想法：

  1. 每個(gè)像素的一個(gè)通道占用兩個(gè)字節(jié)，其中6個(gè)bit是填充位。
  2. 每個(gè)像素的一個(gè)通道占用10bit，10bit數(shù)據(jù)和10bit數(shù)據(jù)是挨著排列的。

優(yōu)缺點(diǎn)

  1. 方式1：便于運(yùn)算處理，有存儲(chǔ)冗余；
  2. 方式2：存儲(chǔ)沒(méi)有冗余，計(jì)算麻煩。

事實(shí)上，10bit是采用方式1存儲(chǔ)的，并且高有效字節(jié)的前6個(gè)bit是填充的0。

HDR10視頻解碼得到Y(jié)UV數(shù)據(jù)的命令：

//yuv420p10le格式
ffmpeg -i hdr10.mp4 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p10be hdr10_yuv420p10le.yuv

//yuv420p10be格式
ffmpeg -i hdr10.mp4 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p10be hdr10_yuv420p10le.yuv

（1）yuv420p10le的數(shù)據(jù)格式的16進(jìn)制的顯示：

image.png

比如地址019f7040h開(kāi)始的兩個(gè)字節(jié)：

-------------低地址---->高地址--------------
00011111 000000 01

（2）yuv420p10be的數(shù)據(jù)格式的16進(jìn)制的顯示：

image.png

比如地址019f7040h開(kāi)始的兩個(gè)字節(jié)：

-------------低地址---->高地址--------------
000000 01 00011111

工具推薦：一個(gè)可以播放10bit yuv流的播放器YUV Player

7. RGB格式

  1. BGR24圖像格式
    BGR24圖像格式是一種采用24bpp(bit per pixel)的格式。每個(gè)顏色通道B、G、R各占8bpp。
    排列方式如：
B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R
B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R
B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R
B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R ? B G R
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