RGB和YUV 多媒體編程

一、概念

　　1.什么是RGB？

　　對一種顏色進行編碼的方法統(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”都可定義成一個固定的數(shù)字或變量。RGB（紅、綠、藍）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變量來表示-紅色綠色以及藍色的強度。記錄及顯示彩色圖像時，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或彩色CCD攝影機進行取像，然后把取得的彩色圖像信號經(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Y和兩個色差信號B－Y（即U）、R－Y（即V），最后發(fā)送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，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

　　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)化彩色視頻信號的傳輸，使其向后相容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優(yōu)點在于只需占用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸）。

　　3.采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有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Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。

三、YUV和RGB的實現(xiàn)原理

　　1.RGB是從顏色發(fā)光的原理來設計定的，通俗點說它的顏色混合方式就好像有紅、綠、藍三盞燈，當它們的光相互疊合的時候，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：越疊加越明亮。

紅、綠、藍三個顏色通道每種色各分為256階亮度，在0時“燈”最弱——是關掉的，而在255時“燈”最亮。當三色灰度數(shù)值相同時，產(chǎn)生不同灰度值的灰色調，即三色灰度都為0時，是最暗的黑色調；三色灰度都為255時，是最亮的白色調。

RGB 顏色稱為加成色，因為您通過將 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、電視和計算機顯示器。例如，顯示器通過紅色、綠色和藍色熒光粉發(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 (RGB) 三色光在不同比例和強度上的混合。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輸入信號來建立的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起?！吧取眲t定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。

四、RGB和YUV的格式

　　1.RGB的格式

　　①網(wǎng)頁格式

　?、赗GB555

　　③RGB565

　?、躌GB24

　?、軷GB32

　　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分量存放在同一個數(shù)組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；而后者使用三個數(shù)組分開存放YUV三個分量，就像是一個三維平面一樣。

　?、資UY2（和YUYV）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節(jié)，實際表示2個像素。（4:2:2的意思實際上是一個宏像素中有2個Y分量、1個U分量和1個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 …

　?、赮VYU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 …

　?、?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 …

　　④AYUV格式帶有一個Alpha通道，并且為每個像素都提取YUV分量，圖像數(shù)據(jù)格式如下：

　　A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …

　?、?Y41P（和Y411）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。一個宏像素為12個字節(jié)，實際表示8個像素。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 …

　?、?Y211格式在水平方向上Y分量每2個像素采樣一次，而UV分量每4個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節(jié)，實際表示4個像素。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格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個4 x 4的宏塊，然后每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。圖像數(shù)據(jù)存儲時，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格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個2 x 2的宏塊，然后每個宏塊提取一個U分量和一個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為每個像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。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轉換

　　對于數(shù)字視頻，定義了從 RGB 到兩個主要 YUV 的轉換。這兩個轉換都基于稱為 ITU-R Recommendation BT.709 的規(guī)范。

　　第一個轉換是 BT.709 中定義用于 50-Hz 的較早的 YUV 格式。它與在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的關系相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被稱為它的舊名稱 CCIR 601。這種格式應該被視為用于標準定義 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常量 Kr 和 Kb 的值來定義：

　　Kr = 0.299

　　Kb = 0.114

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

　　Kr = 0.2126

　　Kb = 0.0722

　　從 RGB 到 YUV 轉換的定義以下列內容開始：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 YUV 樣例的位數(shù) (M >= 8)。

　　Z 為黑電平變量。對于計算機RGB，Z 等于 0。對于 studio視頻RGB，Z 等于 16*2，其中 N 為每個 RGB樣例的位數(shù) (N >= 8)。S 為縮放變量。對于計算機RGB，S 等于 255。對于 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色和紅色的顏色偏差。Y 的標稱范圍為 16*2 到 235*2 。黑色表示為 16*2 ，白色表示為 235*2 。U 和 V 的標稱范圍為 16*2 到 240*2 ，值 128*2 表示中性色度。但是，實際的值可能不在這些范圍之內。

　　對于 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，必需進行剪輯操作。如果輸入為計算機RGB，則不需要剪輯操作，這是因為轉換公式不會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：每個點保存一個 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 個點保存一個 Cr 和Cb 值,圖像在肉眼中的感覺不會起太大的變化。所以， 原來用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1個點需要 8x3=24 bits（如下圖第一個圖），（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個點，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每個點占12bits(如下圖第二個圖)。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，在實際數(shù)據(jù)存儲中是有可能是不同的，下面給出幾種具體的存儲形式：

　?。?） YUV 4:4:4

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

　　下面的四個像素為: [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。對非壓縮的8比特量化的圖像來說，每個由兩個水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用4字節(jié)內存。

　　下面的四個像素為：[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，是在水平方向上對色度進行4:1抽樣。對于低端用戶和消費類產(chǎn)品這仍然是可以接受的。對非壓縮的8比特量化的視頻來說，每個由4個水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節(jié)內存。

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

　　存放的碼流為: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

　　映射出像素點為：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

　　（4）YUV4:2:0

　　4:2:0并不意味著只有Y，Cb而沒有Cr分量。它指得是對每行掃描線來說，只有一種色度分量以2:1的抽樣率存儲。相鄰的掃描行存儲不同的色度分量，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。對每個色度分量來說，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。對非壓縮的8比特量化的視頻來說，每個由2x2個2行2列相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節(jié)內存。

　　下面八個像素為：[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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