YUV

YUV是被电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），是PAL和SECAM模拟制式采用的。在现代系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色进行取像，然后把取得的彩色信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过电路得到亮度信号Y和两个R－Y（即U）、B－Y（即V），最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV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。

YUV主要用于优化彩色信号的传输，使其向后相容老式。与RGB传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像及饱和度，用于指定的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“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来表示。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。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白。采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

　　对于，定义了从 RGB 到两个主要 YUV 的转换。这两个转换都基于称为 ITU-R Recommendation BT.709 的规范。第一个转换是 BT.709 中定义用于 50-Hz 的较早的 YUV 格式。它与在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的关系相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被称为它的旧名称 CCIR 601。这种格式应该被视为用于标准定义 TV  (720 x 576) 和更低分辨率的首选 YUV 格式。它的特征由下面两个常量 Kr 和 Kb 的值来定义：

　　Kr = 0.299Kb = 0.114第二个转换为 BT.709 中定义用于 60-Hz 的较新 YUV 格式，应该被视为用于高于 SDTV 的的首选格式。它的特征由下面两个不同的值来定义：

　　Kr = 0.2126Kb = 0.0722从 RGB 到 YUV 转换的定义以下列内容开始：

　　L = Kr * R + Kb * B + (1 – Kr – Kb) * G然后，按照下列方式获得 YUV 值：

　　Y = floor(2^(M-8) * (219*(L–Z)/S + 16) + 0.5)U = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) * (112*(B-L) / ((1-Kb)*S) + 128) + 0.5))V = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) * (112*(R-L) / ((1-Kr)*S) + 128) + 0.5))其中

　　M 为每个 YUV 样例的位数 (M >= 8)。

　　Z 为黑电平变量。对于 RGB，Z 等于 0。对于 studio  RGB，Z 等于 16*2，其中 N 为每个 RGB 样例的位数 (N >= 8)。

　　S 为缩放变量。对于 RGB，S 等于 255。对于 studio  RGB，S 等于 219*2。

　　 floor(x) 返回大于或等于 x 的最大整数。 clip3(x, y, z) 的定义如下所示：

　　clip3(x, y, z) = ((z < x) ? x : ((z > y) ? y : z))Y 样例表示亮度，U 和 V 样例分别表示偏向蓝色和红色的颜色偏差。Y 的标称范围为 16*2 到 235*2 。黑色表示为 16*2 ，白色表示为 235*2 。U 和 V 的标称范围为 16*2 到 240*2 ，值 128*2 表示中性色度。但是，实际的值可能不在这些范围之内。

　　对于 studio 视频 RGB 形式的输入数据，要使得 U 和 V 值保持在 0 到 2M-1 范围之内，必需进行剪辑操作。如果输入为 RGB，则不需要剪辑操作，这是因为转换公式不会生成超出此范围的值。

YUV采样格式　　主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1 比较常用，其含义为：每个点保存一个 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 个点保存一个 Cr 和Cb 值, 在肉眼中的感觉不会起太大的变化。所以， 原来用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1个点需要 8x3=24 bits（如下图第一个图），（全采样后，YUV仍各占8bit）。按4:1:1采样后，而现在平均仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4个点，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每个点占12bits(如下图第二个图)。这样就把图像的了一半。

　　上边仅给出了理论上的示例，在实际数据存储中是有可能是不同的，下面给出几种具体的存储形式：

　　（1） 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，未经压缩的每个占用3个字节。

　　下面的四个为: [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

　　（2） 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组成的宏需要占用4字节内存。

　　下面的四个为：[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

　　映射出点为：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

　　（3） YUV 4:1:1

　　4:1:1的，是在水平方向上对色度进行4:1抽样。对于低端用户和消费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8比特量化的来说，每个由4个水平方向相邻的组成的宏需要占用6字节内存。

　　下面的四个为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的码流为: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

　　映射出像素点为：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

　　（4）YUV4:2:0

　　4:2:0并不意味着只有Y，Cb而没有Cr分量。它指得是对每行来说，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，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比特量化的来说，每个由2x2个2行2列相邻的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] [Y7U7 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] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7]

     做视频采集与处理，自然少不了要学会分析YUV数据。因为从采集的角度来说，一般的视频采集芯片输出的码流一般都是YUV数据流的形式，而从视频处理（例如H.264、MPEG视频编解码）的角度来说，也是在原始YUV码流进行编码和解析，所以，了解如何分析YUV数据流对于做视频领域的人而言，至关重要。本文就是根据我的学习和了解，简单地介绍如何分析YUV数据流。

    YUV，分为三个分量，“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。

    与我们熟知的RGB类似，YUV也是一种颜色编码方法，主要用于电视系统以及模拟视频领域，它将亮度信息（Y）与色彩信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的，这样的设计很好地解决了彩色电视机与黑白电视的兼容问题。并且，YUV不像RGB那样要求三个独立的视频信号同时传输，所以用YUV方式传送占用极少的频宽。

    好了，言归正传，谈谈如何分析YUV码流吧。YUV码流有多种不同的格式，要分析YUV码流，就必须搞清楚你面对的到底是哪一种格式，并且必须搞清楚这种格式的YUV采样和分布情况。下面我将介绍几种常用的YUV码流格式，供大家参考。

1.  采样方式   

    YUV码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关，主流的采样方式有三种，YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0，关于其详细原理，可以通过网上其它文章了解，这里我想强调的是如何根据其采样格式来从码流中还原每个像素点的YUV值，因为只有正确地还原了每个像素点的YUV值，才能通过YUV与RGB的转换公式提取出每个像素点的RGB值，然后显示出来。

    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。

    先记住下面这段话，以后提取每个像素的YUV分量会用到。

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。

2.  存储方式

    下面我用图的形式给出常见的YUV码流的存储方式，并在存储方式后面附有取样每个像素点的YUV数据的方法，其中，Cb、Cr的含义等同于U、V。

（1） YUVY 格式 （属于YUV422）

    YUYV为YUV422采样的存储格式中的一种，相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr，分析，对于像素点Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00，其他的像素点的YUV取值依次类推。

（2） UYVY 格式 （属于YUV422）

    UYVY格式也是YUV422采样的存储格式中的一种，只不过与YUYV不同的是UV的排列顺序不一样而已，还原其每个像素点的YUV值的方法与上面一样。

（3） YUV422P（属于YUV422）

（4）YV12，YU12格式（属于YUV420）

    YU12和YV12属于YUV420格式，也是一种Plane模式，将Y、U、V分量分别打包，依次存储。其每一个像素点的YUV数据提取遵循YUV420格式的提取方式，即4个Y分量共用一组UV。注意，上图中，Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00，其他依次类推。

（5）NV12、NV21（属于YUV420）

    NV12和NV21属于YUV420格式，是一种two-plane模式，即Y和UV分为两个Plane，但是UV（CbCr）为交错存储，而不是分为三个plane。其提取方式与上一种类似，即Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00

3.  总结

    几种常见的YUV码流格式就简单地列在上面了，大家在处理YUV码流前，先了解清楚自己的码流到底属于哪一种，然后对应进行处理。

    最后，再回答一个疑问，即分析清楚YUV码流格式了，我们可以做什么？最常用的一点就是，提取出所有的Y分量，然后利用vc或者matlab把你采集的图像的灰度值（Y分量）显示处理，这样你就可以很快地知道你采集的图像是否有问题了。后面我将继续写一些文章讲述如何提取、转换、显示这些YUV原始码流，有兴趣可以继续关注，欢迎留言讨论。