YUV圖像淺析(1)

 

0.引言

本篇文案重點講解YUV格式和內存擺列，看完本篇文案，能夠快速對YUV格式有個更清楚的認識。

從下圖就能夠看出，YUV4:1:1，YUV4:2:0，就壓縮的最厲害。一般在網絡傳輸時，通常在送到編碼之前，都轉換作為這2種格式。

1.YUV簡述

yuv是歐洲電視系統采用的顏色編碼辦法之一，包括一個亮度信號Y和兩個色差信號U、V。yuv格式能夠優化彩色視頻信號數據的存儲方式。與RGB格式相比，最大的優良在于只需占用極少的數據存儲空間，使得數據傳輸更為簡易。

yuv中，“Y”暗示明亮度，亦便是灰階值；而“U”和“V”暗示的則是色度，色度的功效是記錄圖像色彩及飽和度。“亮度”是透過輸入信號來創立的，辦法是將信號的特定部分疊加到一塊。“色度”則定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用Cr和Cb來暗示。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。

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。倘若僅有y信號分量而無u、v分量，那樣這般暗示的圖像便是黑白灰度圖像。彩色電視采用yuv空間正是為了用亮度信號y處理彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機亦能接收彩色電視信號。

2.YUV采樣格式

重點的采樣格式有YCbCr：4:4:4、YCbCr：4:2:2、YCbCr：4:2:0、以及YCbCr：4:2:1，舉例說明中YCbCr：4:1:1為常用的采樣格式，其含義為：每一個點保留一個8bit的亮度值(亦便是Y值)，每4個點保留一個Cr和Cb值，Cr和Cb像素點在肉眼中的感覺不會起太大的變化。因此，原來用RGB(R，G，B都是8bit unsigned)模型，即1個點需要24bits。如果按YCbCr：4:1:1采樣后，平均每一個點僅需要8+8/4+8/4=12bits。這般就把圖像的數據壓縮了一半。下面對這幾種格式做仔細介紹。

(1)YUV 4:4:4

YUV三個采樣數據完整存儲，不存在任何數據損失與壓縮，當然數據存儲體積不變，與格式相同。如下圖:

每一個交叉暗示一個Y值數據，每一個圓圈暗示一個U值與V值數據，圖中為每一個Y值對應一個U值與V值，整體為一個像素點，該像素點數據保留完整。

交錯格式存儲如下:

YUV數據在內存中的存儲方式，每3個為一組，為方便32位計算機的按位直接讀取，一般在每組YUV值后會填充一個A值，使得每次讀取數值為32位，增多讀取速度。

(2)YUV 4:2:2

灰度值數據Y完整讀取，色度U與V僅保存本來的一半，取每行像素點的奇數位的UV值進行保留。此處UV數據壓縮百分之五十，Y數據不變，壓縮比為1-(4+2+2)/(4+4+4)*100%=33.33%）。因像素點在屏幕表示后，圖像顏色的失真針對觀察者來講并不會影響圖像的質量與觀賞度，因此能夠按此法進行壓縮。如下圖所示:

交錯格式存儲如下:

每一個交叉暗示一個Y值數據，每一個圓圈暗示一個U值與V值數據，圖中為每兩個Y值對應一個U值與V值，整體為兩個像素點，兩像素點共用一個相同的色度差，利用物體顏色在兩個像素的距離內不會變化過大的原理，恰當壓縮圖像數據。

為YUV數據在內存中的存儲方式，每4個為一組，其中奇數位為Y值，偶數位為U值與V值，32位計算機在讀取時能夠一次恰好讀取一組YUV數據，其中包含兩個Y值與其共用的一個U值與V值。

(3)YUV 4:1:1

灰度值數據Y依舊完整讀取，而色度U與V僅保存本來的四分之一，取每兩行像素點的左上位置的UV值進行保留。此處數據壓縮百分之七十五，Y數據不變，壓縮比為1-(4+1+1)/(4+4+4)*100%=50%）。一樣利用因像素點在屏幕表示后，圖像顏色的失真針對觀察者來講并不會影響圖像的質量與觀賞度，既然YUV4:2:2能夠橫向壓縮，因此YUV 4:1:1能夠增多縱向壓縮，達到更加高的壓縮比例，但需要付出數據較難處理的代價。如下圖所示:

每一個交叉暗示一個Y值數據，每一個圓圈暗示一個U值與V值數據，圖中為每四個Y值對應一個U值與V值，整體為四個像素點，四個像素點共用一個相同的色度差，一樣利用物體顏色在兩個像素的距離內不會變化過大的原理，恰當壓縮圖像數據。內存擺列如下圖所示:

上圖中，為YUV 4:1:1數據在內存中的存儲方式，與YUV 4:4:4、YUV 4:2:2區別的是，雖然YUV 4:1:1壓縮比最大，需要存儲的數據最少，然則其存儲方式是最為繁雜的，需要運用三個Buffer依次存取Y，U，V，三值，此存儲方式節約了存儲內存空間與數據進行傳送時的網絡傳輸帶寬，增多了編程人員對數據還原表示處理的難度。

確定圖像的存儲方式關系到數據在內存中的存儲方式，當進行圖像合并時，需要對內存中的數據進行修改，以達到合并圖像的效果，因此認識圖像存儲方式至關重要。

重視:盡管上面列舉出了有些常用的格式，然則還是有非常多格式亦是有用到的，實質遇到采集與編碼格式區別，或解碼與播放格式區別，就需要進行格式轉換。理解清楚這些格式轉換就曉得怎么去轉換了，當然倘若搞不清這種數據關系，亦有庫能夠用。

3.其它

如WebRTC庫中源碼針對圖像類的命名為I420，初步猜測為YUV4:2:0格式。但在interface文件I420videoframe.h中觀察創建圖像的辦法與其參數：

int CreateFrame(int size_y，const uint8_t & buffer_y，int size_U，const uint8_t & buffer_U， int size_V，const uint8_t & buffer_V，int width，intheigth,int stride_y，int stride_u，int stride_v)

推斷其實質存儲方式為YUV4:1:1，由于參數中包括三個Buffer，分別為bufferY，bufferU以及bufferV，以及她們對應的體積。

事實上，WebRTC做為視頻通話的研發庫，其思慮最優先的必然是最大化壓縮數據，減少需要網絡傳輸的數據，減少視頻通話與現實中的延遲，在使得視頻通話順暢的基本上，再進行畫質的改善。因此呢WebRTC選取YUV4:1:1為恰當選取，但此圖像格式處理的方式較為困難，后面文案再介紹下怎么轉換的算法。

4.總結

本文用一篇非常簡短的文案，再次講述了YUV格式和內存擺列，后面有機會再繼續講講一些轉換算法和RGB格式。歡迎關注，保藏，轉發，分享。

后期關于項目知識，亦會更新在微X公眾號“記錄世界 from antonio”，歡迎關注