YCrCb(YUV) & RGB

UV（亦称YCrCb）是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL）。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视。与R GB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的带宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中"Y"表示明亮度（Lumina nce或Luma），也就是灰阶值；而"U"和"V"表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。"亮度"是通过R GB输入信号来创建的，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，C r反映了GB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信号亮度值之同的差异。

计算机彩色显示器显示色彩的原理与彩色电视机一样，都是采用R（Red）、G（Green）、B（Blue）相加混色的原理：通过发射出三种不同强度的电子束，使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩。这种色彩的表示方法称为RGB色彩空间表示（它也是多媒体计算机技术中用得最多的一种色彩空间表示方法）。
根据三基色原理，任意一种色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成。

F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]

其中，r、g、b分别为三基色参与混合的系数。当三基色分量都为0（最弱）时混合为黑色光；而当三基色分量都为k（最强）时混合为白色光。调整r、g、b三个系数的值，可以混合出介于黑色光和白色光之间的各种各样的色光。
那么YUV又从何而来呢？在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD摄像机进行摄像，然后把摄得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号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。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。
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。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灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。
YUV与RGB相互转换的公式如下（RGB取值范围均为0-255）：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.147R - 0.289G + 0.436B
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B

R = Y + 1.14V
G = Y - 0.39U - 0.58V
B = Y + 2.03U

在DirectShow中，常见的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常见的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。作为视频媒体类型的辅助说明类型（Subtype），它们对应的GUID见表2.3。

表2.3 常见的RGB和YUV格式

GUID     格式描述
MEDIASUBTYPE_RGB1     2色，每个像素用1位表示，需要调色板
MEDIASUBTYPE_RGB4     16色，每个像素用4位表示，需要调色板
MEDIASUBTYPE_RGB8     256色，每个像素用8位表示，需要调色板
MEDIASUBTYPE_RGB565     每个像素用16位表示，RGB分量分别使用5位、6位、5位
MEDIASUBTYPE_RGB555     每个像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下的1位不用）
MEDIASUBTYPE_RGB24     每个像素用24位表示，RGB分量各使用8位
MEDIASUBTYPE_RGB32     每个像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位不用）
MEDIASUBTYPE_ARGB32     每个像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位用于表示Alpha通道值）
MEDIASUBTYPE_YUY2     YUY2格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_YUYV     YUYV格式（实际格式与YUY2相同）
MEDIASUBTYPE_YVYU     YVYU格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_UYVY     UYVY格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_AYUV     带Alpha通道的4:4:4 YUV格式
MEDIASUBTYPE_Y41P     Y41P格式，以4:1:1方式打包
MEDIASUBTYPE_Y411     Y411格式（实际格式与Y41P相同）
MEDIASUBTYPE_Y211     Y211格式
MEDIASUBTYPE_IF09     IF09格式
MEDIASUBTYPE_IYUV     IYUV格式
MEDIASUBTYPE_YV12     YV12格式
MEDIASUBTYPE_YVU9     YVU9格式

下面分别介绍各种RGB格式。

¨ RGB1、RGB4、RGB8都是调色板类型的RGB格式，在描述这些媒体类型的格式细节时，通常会在BITMAPINFOHEADER数据结构后面跟着一个调色板（定义一系列颜色）。它们的图像数据并不是真正的颜色值，而是当前像素颜色值在调色板中的索引。以RGB1（2色位图）为例，比如它的调色板中定义的两种颜色值依次为0x000000（黑色）和0xFFFFFF（白色），那么图像数据001101010111…（每个像素用1位表示）表示对应各像素的颜色为：黑黑白白黑白黑白黑白白白…。

¨ RGB565使用16位表示一个像素，这16位中的5位用于R，6位用于G，5位用于B。程序中通常使用一个字（WORD，一个字等于两个字节）来操作一个像素。当读出一个像素后，这个字的各个位意义如下：
      高字节               低字节
R R R R R G G G      G G G B B B B B
可以组合使用屏蔽字和移位操作来得到RGB各分量的值：

#define RGB565_MASK_RED     0xF800
#define RGB565_MASK_GREEN   0x07E0
#define RGB565_MASK_BLUE    0x001F
R = (wPixel & RGB565_MASK_RED) >> 11;    // 取值范围0-31
G = (wPixel & RGB565_MASK_GREEN) >> 5;   // 取值范围0-63
B =   wPixel & RGB565_MASK_BLUE;          // 取值范围0-31

¨ RGB555是另一种16位的RGB格式，RGB分量都用5位表示（剩下的1位不用）。使用一个字读出一个像素后，这个字的各个位意义如下：
      高字节              低字节
X R R R R G G        G G G B B B B B        （X表示不用，可以忽略）
可以组合使用屏蔽字和移位操作来得到RGB各分量的值：

#define RGB555_MASK_RED     0x7C00
#define RGB555_MASK_GREEN   0x03E0
#define RGB555_MASK_BLUE    0x001F
R = (wPixel & RGB555_MASK_RED) >> 10;    // 取值范围0-31
G = (wPixel & RGB555_MASK_GREEN) >> 5;   // 取值范围0-31
B =   wPixel & RGB555_MASK_BLUE;          // 取值范围0-31

¨ RGB24使用24位来表示一个像素，RGB分量都用8位表示，取值范围为0-255。注意在内存中RGB各分量的排列顺序为：BGR BGR BGR…。通常可以使用RGBTRIPLE数据结构来操作一个像素，它的定义为：

typedef struct tagRGBTRIPLE { 
   BYTE rgbtBlue;     // 蓝色分量
   BYTE rgbtGreen;    // 绿色分量
   BYTE rgbtRed;      // 红色分量
} RGBTRIPLE;

¨ RGB32使用32位来表示一个像素，RGB分量各用去8位，剩下的8位用作Alpha通道或者不用。（ARGB32就是带Alpha通道的RGB32。）注意在内存中RGB各分量的排列顺序为：BGRA BGRA BGRA…。通常可以使用RGBQUAD数据结构来操作一个像素，它的定义为：

typedef struct tagRGBQUAD {
   BYTE     rgbBlue;       // 蓝色分量
   BYTE     rgbGreen;      // 绿色分量
   BYTE     rgbRed;        // 红色分量
   BYTE     rgbReserved;   // 保留字节（用作Alpha通道或忽略）
} RGBQUAD;

下面介绍各种YUV格式。YUV格式通常有两大类：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者将YUV分量存放在同一个数组中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素（macro-pixel）；而后者使用三个数组分开存放YUV三个分量，就像是一个三维平面一样。表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介绍各种具体格式时，YUV各分量都会带有下标，如Y0、U0、V0表示第一个像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二个像素的YUV分量，以此类推。）

¨ YUY2（和YUYV）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每两个像素采样一次。一个宏像素为4个字节，实际表示2个像素。（4:2:2的意思为一个宏像素中有4个Y分量、2个U分量和2个V分量。）图像数据中YUV分量排列顺序如下：
Y0 U0 Y1 V0     Y2 U2 Y3 V2 …

¨ YVYU格式跟YUY2类似，只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同：
Y0 V0 Y1 U0     Y2 V2 Y3 U2 …

¨ UYVY格式跟YUY2类似，只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同：
U0 Y0 V0 Y1     U2 Y2 V2 Y3 …

¨ AYUV格式带有一个Alpha通道，并且为每个像素都提取YUV分量，图像数据格式如下：
A0 Y0 U0 V0     A1 Y1 U1 V1 …

¨ Y41P（和Y411）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。一个宏像素为12个字节，实际表示8个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：
U0 Y0 V0 Y1     U4 Y2 V4 Y3     Y4 Y5 Y6 Y8 …

¨ Y211格式在水平方向上Y分量每2个像素采样一次，而UV分量每4个像素采样一次。一个宏像素为4个字节，实际表示4个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：
Y0 U0 Y2 V0     Y4 U4 Y6 V4 …

¨ YVU9格式为每个像素都提取Y分量，而在UV分量的提取时，首先将图像分成若干个4 x 4的宏块，然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。图像数据存储时，首先是整幅图像的Y分量数组，然后就跟着U分量数组，以及V分量数组。IF09格式与YVU9类似。

¨ IYUV格式为每个像素都提取Y分量，而在UV分量的提取时，首先将图像分成若干个2 x 2的宏块，然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。YV12格式与IYUV类似。

¨ YUV411、YUV420格式多见于DV数据中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411为每个像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。YUV420并非V分量采样为0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采样频率，在垂直方向上以U/V间隔的方式减小一半色差采样，如图2.12所示

YCbCr是DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中，常用的色彩编码方案。YCbCr 有时会称为 YCC.。Y'CbCr 在模拟分量视频（analog component video）中也常被称为 YPbPr。YCbCr不是一种，是YUV压缩和偏移的版本。

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编辑本段YCbCr与YUV的区别

　　正如几何上用坐标空间来描述坐标集合, 色彩空间用数学方式来描述颜色集合。常见的3 个基本色彩模型是 , 和。

　　YCbCr 则是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU - R BT1601 建议的一部分, 其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV 中的Y含义一致, Cb , Cr 同样都指色彩, 只是在表示方法上不同而已。在YUV 家族中, YCbCr 是在中应用最多的成员, 其应用领域很广泛,、均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。YCbCr 有许多取样格式, 如4∶4∶4 , 4∶2∶2 , 4∶1∶1 和4∶2∶0。

YUV

　　功能

　　视频编码器要求YUV4:2:0格式的视频输入，因此可能根据应用需要进行视频输入的预处理，即对YUV4:2:2隔行扫描(例如从摄像机)到YUV 4:2:0非隔行扫描转换，仅抽取但不过滤UV分。对视频解码器而言，还需要进行后处理，以将解码的YUV 4:2:0数据转换为RGB进行显示，包括：YUV 4:2:0到RGB转换；16位或12位RGB显示格式；0到90度旋转，实现横向或纵向显示。此外，视频编解码器通常还要求具有以下功能和特性：

　　支持简单类 0、1 与 2 级；

　　兼容H.263与 MPEG-4 编解码标准；

　　MPEG-4视频解码器支持的可选项有：AC/DC预测、可逆可变长度编码(RVLC)、再同步标志(RM)、(DP)、错误隐藏专利技术、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、自由运动补偿、解码VOS层；

　　MPEG-4视频编码器选项有：RVLC、RM、DP、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、报头扩展码、支持编码期间码率改变、支持编码期间编码帧率改变、插入或不插入可视对象序列起始码；

　　支持编码期间序列中插入I帧；

　　支持编码器自适应帧内刷新(AIR)；

　　支持多编解码器，可用相同代码运行多个编解码器实例。

YCbCr

　　YCbCr其中Y是指亮度分量，Cb指蓝色色度分量，而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感，因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后，肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。

　　4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量，2个色度分量 (YYYYCbCr)，仅采样奇数扫描线，是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式；4：2：2表示每4个像素有4个亮度分量，4个色度分量(YYYYCbCrCbCr)，是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式；4：4：4表示全像素(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr)，用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。

编辑本段YUV主要的采样格式

　　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, 图像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, 每个点需要 8x3=24 bits（如下图第一个图）. 而现在仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bites, 平均每个点占12bites(如下图第二个图)。这样就把图像的数据压缩了一半。

　　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，未经压缩的每个像素占用3个字节。

　　下面的四个像素为: [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，所以水平方向的色度抽样率只是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像素组成的宏像素需要占用4字节内存。

　　下面的四个像素为: [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

　　映射出像素点为：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

（3） YUV 4:1:1

　　4:1:1的色度抽样，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比特量化的视频来说，每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存

　　下面的四个像素为: [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，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比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素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]

　　YCbCr与RGB的相互转换

　　Y=0.299R+0.587G+0.114B

　　Cb=0.564(B-Y)

　　Cr=0.713(R-Y)

　　R=Y+1.402Cr

　　G=Y-0.344Cb-0.714Cr

　　B=Y+1.772Cb

YCbCr的模拟分量部分YPbPr

　　YCbCr 有时会称为YCC. Y'CbCr 在模拟分量视频（analog component video）中也常被称为YPbPr。

　　Y'CbCr讯号(prior to scaling and offsets to place the signals into digital form)被称为 ，而且产生时必须合乎gamma-adjusted RGB source有二个不同的常数Kb和Kr如下： YPbPr (analog version of Y'CbCr) from R'G'B' YPbPr (analog version of Y'CbCr) from R'G'B' ==================================================== ================================================== ==

　　Y' = Kr * R' + (1 - Kr - Kb) * G' + Kb * B' Y'

　　Pb = 0.5 * (B' - Y') / (1 - Kb) Pb = 0.5 * (B' - Y') / (1 - Kb)

　　Pr = 0.5 * (R' - Y') / (1 - Kr) Pr = 0.5 * (R' - Y') / (1 - Kr)

　　.................................................... .................................................. ..

　　R', G', B' in [0; 1] R', G', B' in [0; 1]

　　Y' in [0; 1] Y' in [0; 1]

　　Pb in [-0.5; 0.5] Pb in [-0.5; 0.5]

　　Pr in [-0.5; 0.5] Pr in [-0.5; 0.5]