RGB和YUV 多媒體編程

一、概念

　　1.什么是RGB？

　　對(duì)一種顏色進(jìn)行編碼的方法統(tǒng)稱為“顏色空間”或“色域”。用最簡單的話說，世界上任何一種顏色的“顏色空間”都可定義成一個(gè)固定的數(shù)字或變量。RGB（紅、綠、藍(lán)）只是眾多顏色空間的一種。采用這種編碼方法，每種顏色都可用三個(gè)變量來表示-紅色綠色以及藍(lán)色的強(qiáng)度。記錄及顯示彩色圖像時(shí)，RGB是最常見的一種方案。

　　2.什么是YUV？

　　YUV是被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法（屬于PAL），是PAL和SECAM模擬彩色電視制式采用的顏色空間。

　　在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝影機(jī)或彩色CCD攝影機(jī)進(jìn)行取像，然后把取得的彩色圖像信號(hào)經(jīng)分色、分別放大校正后得到RGB，再經(jīng)過矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)B－Y（即U）、R－Y（即V），最后發(fā)送端將亮度和色差三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。

　　由此可見，RGB和YUV都屬于顏色空間（或者叫“色彩空間”），如果不清楚色彩空間的概念。

二、RGB和YUV的優(yōu)缺點(diǎn)

　　1.RGB缺乏與早期黑白顯示系統(tǒng)的良好兼容性。因此，許多電子電器廠商普遍采用的做法是，將RGB轉(zhuǎn)換成YUV顏色空間，以維持兼容，再根據(jù)需要換回RGB格式，以便在電腦顯示器上顯示彩色圖形。

　　2.YUV主要用于優(yōu)化彩色視頻信號(hào)的傳輸，使其向后相容老式黑白電視。與RGB視頻信號(hào)傳輸相比，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需占用極少的頻寬（RGB要求三個(gè)獨(dú)立的視頻信號(hào)同時(shí)傳輸）。

　　3.采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的。如果只有Y信號(hào)分量而沒有U、V分量，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號(hào)Y解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色電視信號(hào)。

三、YUV和RGB的實(shí)現(xiàn)原理

　　1.RGB是從顏色發(fā)光的原理來設(shè)計(jì)定的，通俗點(diǎn)說它的顏色混合方式就好像有紅、綠、藍(lán)三盞燈，當(dāng)它們的光相互疊合的時(shí)候，色彩相混，而亮度卻等于兩者亮度之總和，越混合亮度越高，即加法混合。

紅、綠、藍(lán)三盞燈的疊加情況，中心三色最亮的疊加區(qū)為白色，加法混合的特點(diǎn)：越疊加越明亮。

紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色通道每種色各分為256階亮度，在0時(shí)“燈”最弱——是關(guān)掉的，而在255時(shí)“燈”最亮。當(dāng)三色灰度數(shù)值相同時(shí)，產(chǎn)生不同灰度值的灰色調(diào)，即三色灰度都為0時(shí)，是最暗的黑色調(diào)；三色灰度都為255時(shí)，是最亮的白色調(diào)。

RGB 顏色稱為加成色，因?yàn)槟ㄟ^將 R、G 和 B 添加在一起（即所有光線反射回眼睛）可產(chǎn)生白色。加成色用于照明光、電視和計(jì)算機(jī)顯示器。例如，顯示器通過紅色、綠色和藍(lán)色熒光粉發(fā)射光線產(chǎn)生顏色。絕大多數(shù)可視光譜都可表示為紅、綠、藍(lán) (RGB) 三色光在不同比例和強(qiáng)度上的混合。這些顏色若發(fā)生重疊，則產(chǎn)生青、洋紅和黃。

　　2.在YUV中，“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V” 表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色?！傲炼取笔峭高^RGB輸入信號(hào)來建立的，方法是將RGB信號(hào)的特定部分疊加到一起?！吧取眲t定義了顏色的兩個(gè)方面─色調(diào)與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號(hào)紅色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號(hào)藍(lán)色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。

四、RGB和YUV的格式

　　1.RGB的格式

　?、倬W(wǎng)頁格式

　?、赗GB555

　　③RGB565

　?、躌GB24

　　⑤RGB32

　　2.YUV格式

　　YUV格式通常有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者將YUV分量存放在同一個(gè)數(shù)組中，通常是幾個(gè)相鄰的像素組成一個(gè)宏像素（macro-pixel）；而后者使用三個(gè)數(shù)組分開存放YUV三個(gè)分量，就像是一個(gè)三維平面一樣。

　　①YUY2（和YUYV）格式為每個(gè)像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個(gè)像素采樣一次。一個(gè)宏像素為4個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示2個(gè)像素。（4:2:2的意思實(shí)際上是一個(gè)宏像素中有2個(gè)Y分量、1個(gè)U分量和1個(gè)V分量。）圖像數(shù)據(jù)中YUV分量排列順序如下：

　　Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …

　　②YVYU格式跟YUY2類似，只是圖像數(shù)據(jù)中YUV分量的排列順序有所不同：

　　Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …

　　③ UYVY格式跟YUY2類似，只是圖像數(shù)據(jù)中YUV分量的排列順序有所不同：

　　U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …

　?、蹵YUV格式帶有一個(gè)Alpha通道，并且為每個(gè)像素都提取YUV分量，圖像數(shù)據(jù)格式如下：

　　A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …

　?、?Y41P（和Y411）格式為每個(gè)像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個(gè)像素采樣一次。一個(gè)宏像素為12個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示8個(gè)像素。圖像數(shù)據(jù)中YUV分量排列順序如下：

　　U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y8 …

　　⑥ Y211格式在水平方向上Y分量每2個(gè)像素采樣一次，而UV分量每4個(gè)像素采樣一次。一個(gè)宏像素為4個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示4個(gè)像素。圖像數(shù)據(jù)中YUV分量排列順序如下：

　　Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …

　?、遈VU9格式為每個(gè)像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時(shí)，首先將圖像分成若干個(gè)4 x 4的宏塊，然后每個(gè)宏塊提取一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，首先是整幅圖像的Y分量數(shù)組，然后就跟著U分量數(shù)組，以及V分量數(shù)組。IF09格式與YVU9類似。

　?、郔YUV格式為每個(gè)像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時(shí)，首先將圖像分成若干個(gè)2 x 2的宏塊，然后每個(gè)宏塊提取一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。YV12格式與IYUV類似。

　?、醂UV411、YUV420格式多見于DV數(shù)據(jù)中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411為每個(gè)像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個(gè)像素采樣一次。YUV420并非V分量采樣為0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減小一半色差采樣。

　　3.在DirectShow中，常見的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。

五、RGB和YUV轉(zhuǎn)換

　　對(duì)于數(shù)字視頻，定義了從 RGB 到兩個(gè)主要 YUV 的轉(zhuǎn)換。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換都基于稱為 ITU-R Recommendation BT.709 的規(guī)范。

　　第一個(gè)轉(zhuǎn)換是 BT.709 中定義用于 50-Hz 的較早的 YUV 格式。它與在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的關(guān)系相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被稱為它的舊名稱 CCIR 601。這種格式應(yīng)該被視為用于標(biāo)準(zhǔn)定義 TV分辨率(720 x 576) 和更低分辨率視頻的首選 YUV 格式。它的特征由下面兩個(gè)常量 Kr 和 Kb 的值來定義：

　　Kr = 0.299

　　Kb = 0.114

　　第二個(gè)轉(zhuǎn)換為 BT.709 中定義用于 60-Hz 的較新 YUV 格式，應(yīng)該被視為用于高于 SDTV 的視頻分辨率的首選格式。它的特征由下面兩個(gè)不同的常量值來定義：

　　Kr = 0.2126

　　Kb = 0.0722

　　從 RGB 到 YUV 轉(zhuǎn)換的定義以下列內(nèi)容開始：L = Kr * R + Kb * B + (1 – Kr – Kb) * G然后，按照下列方式獲得 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 為每個(gè) YUV 樣例的位數(shù) (M >= 8)。

　　Z 為黑電平變量。對(duì)于計(jì)算機(jī)RGB，Z 等于 0。對(duì)于 studio視頻RGB，Z 等于 16*2，其中 N 為每個(gè) RGB樣例的位數(shù) (N >= 8)。S 為縮放變量。對(duì)于計(jì)算機(jī)RGB，S 等于 255。對(duì)于 studio視頻RGB，S 等于 219*2。

　　函數(shù)floor(x) 返回大于或等于 x 的最大整數(shù)。函數(shù)clip3(x, y, z) 的定義如下所示：

　　clip3(x, y, z) = ((z < x) ? x : ((z > y) ? y : z))Y 樣例表示亮度，U 和 V 樣例分別表示偏向藍(lán)色和紅色的顏色偏差。Y 的標(biāo)稱范圍為 16*2 到 235*2 。黑色表示為 16*2 ，白色表示為 235*2 。U 和 V 的標(biāo)稱范圍為 16*2 到 240*2 ，值 128*2 表示中性色度。但是，實(shí)際的值可能不在這些范圍之內(nèi)。

　　對(duì)于 studio 視頻 RGB 形式的輸入數(shù)據(jù)，要使得 U 和 V 值保持在 0 到 2M-1 范圍之內(nèi)，必需進(jìn)行剪輯操作。如果輸入為計(jì)算機(jī)RGB，則不需要剪輯操作，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換公式不會(huì)生成超出此范圍的值。

　　這些都是精確的公式，沒有近似值。

六、YUV的采樣格式

　　YUV的主要采樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。

　　其中YCbCr 4:1:1 比較常用，其含義為：每個(gè)點(diǎn)保存一個(gè) 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 個(gè)點(diǎn)保存一個(gè) Cr 和Cb 值,圖像在肉眼中的感覺不會(huì)起太大的變化。所以， 原來用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1個(gè)點(diǎn)需要 8x3=24 bits（如下圖第一個(gè)圖），（全采樣后，YUV仍各占8bit）。按4:1:1采樣后，而現(xiàn)在平均僅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4個(gè)點(diǎn)，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每個(gè)點(diǎn)占12bits(如下圖第二個(gè)圖)。這樣就把圖像的數(shù)據(jù)壓縮了一半。

　　上邊僅給出了理論上的示例，在實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中是有可能是不同的，下面給出幾種具體的存儲(chǔ)形式：

　?。?） YUV 4:4:4

　　YUV三個(gè)信道的抽樣率相同，因此在生成的圖像里，每個(gè)象素的三個(gè)分量信息完整（每個(gè)分量通常8比特），經(jīng)過8比特量化之后，未經(jīng)壓縮的每個(gè)像素占用3個(gè)字節(jié)。

　　下面的四個(gè)像素為: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的碼流為: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

　?。?） YUV 4:2:2

　　每個(gè)色差信道的抽樣率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽樣率只是4:4:4的一半。對(duì)非壓縮的8比特量化的圖像來說，每個(gè)由兩個(gè)水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用4字節(jié)內(nèi)存。

　　下面的四個(gè)像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的碼流為：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

　　映射出像素點(diǎn)為：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

　?。?） YUV 4:1:1

　　4:1:1的色度抽樣，是在水平方向上對(duì)色度進(jìn)行4:1抽樣。對(duì)于低端用戶和消費(fèi)類產(chǎn)品這仍然是可以接受的。對(duì)非壓縮的8比特量化的視頻來說，每個(gè)由4個(gè)水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節(jié)內(nèi)存。

　　下面的四個(gè)像素為: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　存放的碼流為: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

　　映射出像素點(diǎn)為：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

　?。?）YUV4:2:0

　　4:2:0并不意味著只有Y，Cb而沒有Cr分量。它指得是對(duì)每行掃描線來說，只有一種色度分量以2:1的抽樣率存儲(chǔ)。相鄰的掃描行存儲(chǔ)不同的色度分量，也就是說，如果一行是4:2:0的話，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此類推。對(duì)每個(gè)色度分量來說，水平方向和豎直方向的抽樣率都是2:1，所以可以說色度的抽樣率是4:1。對(duì)非壓縮的8比特量化的視頻來說，每個(gè)由2x2個(gè)2行2列相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節(jié)內(nèi)存。

　　下面八個(gè)像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

　　[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8]

　　存放的碼流為：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3

　　Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8

　　映射出的像素點(diǎn)為：[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7]

　　[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7]

       完!

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