YUV420格式：图像压缩编码

目录

一、YUV简介

二、RGB 到 YUV 的转换

三、YUV采样

YUV 4:4:4

YUV 4:2:2

YUV 4:2:0

四、YUV 存储格式

基于 YUV 4:2:2 采样的格式

YUYV 格式

UYVY 格式

YUV 422P 格式

基于 YUV 4:2:0 采样的格式

YU12 和 YV12 格式

NV12 和 NV21 格式

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一、YUV简介

      YUV，是一种颜色编码方法。常使用在各个视频处理组件中。 YUV在对照片或视频编码时，考虑到人类的感知能力，允许降低色度的带宽。

“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值，“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。RGB 和 YUV 为两种经常使用的像素格式。下面有对RGB编码详细的解释

 图像ARGB格式及RGB编码概念及解释,

RGB图像具有三个通道 R、G、B，分别对应红、绿、蓝三个分量，由三个分量的值决定颜色；通常，会给RGB图像加一个通道alpha，即透明度，于是共有四个分量共同控制颜色。

RGB格式的一张 1280 * 720 大小的图片，就占用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存储空间。

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。

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。

二、RGB 到 YUV 的转换

对于图像显示器来说，它是通过 RGB 模型来显示图像的，而在传输图像数据时又是使用 YUV 模型，这是因为 YUV 模型可以节省带宽。因此就需要采集图像时将 RGB 模型转换到 YUV 模型，显示时再将 YUV 模型转换为 RGB 模型。

 

RGB 到 YUV 的转换，就是将图像所有像素点的 R、G、B 分量转换到 Y、U、V 分量。

三、YUV采样

       YUV这种颜色格式的理论依据是HVS（Human Visual System，人类视觉系统）对亮度敏感，而对色度的敏感程度次之。人眼对色度的敏感程度低于对亮度的敏感程度。主要原因是视网膜杆细胞多于视网膜锥细胞，其中视网膜杆细胞的作用就是识别亮度，视网膜锥细胞的作用就是识别色度。所以，眼睛对于亮度的分辨要比对颜色的分辨精细一些。因此通过对每一行像素点的色差分量亚采样(下采样:就是降低采样率)来减少所需的存储空间。YUV4:2:2压缩采样格式的颜色占据的存储空间是YUV4:4:4格式占据的存储空间的2/3((4+2+2)/(4+4+4))，YUV4:2:2压缩采样格式的颜色占据的存储空间是YUV4:4:4格式占据的存储空间的1/2。比如，如果采用YUV4:4:4格式，则每个像素点都需要用三个分量表示，也即需要用3字节表示一个像素点。

     YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0图解如下：

 注：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。

从图中我们可以看出：

1. YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。
2. YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。 
3. YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。 

YUV 4:4:4

YUV 4:4:4 表示 Y、U、V 三分量采样率相同，即每个像素的三分量信息完整，都是 8bit，每个像素占用 3 个字节。

四个像素为： [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
采样的码流为： Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3
映射出的像素点为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

 可以看到这种采样方式的图像和 RGB 颜色模型的图像大小是一样，并没有达到节省带宽的目的，当将 RGB 图像转换为 YUV 图像时，也是先转换为 YUV 4:4:4 采样的图像。

YUV 4:2:2

YUV 4:2:2 表示 UV 分量的采样率是 Y 分量的一半。

四个像素为： [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
采样的码流为： Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
映射出的像素点为：[Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]

其中，每采样一个像素点，都会采样其 Y 分量，而 U、V 分量都会间隔采集一个，映射为像素点时，第一个像素点和第二个像素点共用了 U0、V1 分量，以此类推。从而节省了图像空间。

比如一张 1920 * 1280 大小的图片，采用 YUV 4:2:2 采样时的大小为：

(1920 * 1280 * 8 + 1920 * 1280 * 0.5 * 8 * 2 ) / 8 / 1024 / 1024 = 4.68M

可以看出，比 RGB 节省了三分之一的存储空间。

YUV 4:2:0

YUV 4:2:0 并不意味着不采样 V 分量。它指的是对每条扫描线来说，只有一种色度分量（U 或者 V）和 Y 分量以 2:1 的采样率存储，相邻的扫描行存储不同的色度分量。也就是说，如果第一行是 4:2:0，下一行就是 4:0:2，在下一行就是 4:2:0，以此类推。比如，第一行扫描时，YU 按照 2 : 1 的方式采样，那么第二行扫描时，YV 分量按照 2:1 的方式采样。对于每个色度分量来说，它的水平方向和竖直方向的采样和 Y 分量相比都是 2:1 。

举个例子 ：
假设图像像素为：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
              [Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]

那么采样的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8

其中，每采样过一个像素点，都会采样其 Y 分量，而 U、V 分量就会间隔一行按照 2 : 1 进行采样。

最后映射出的像素点为： [Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7] 
                    [Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V5]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V7]

其中，每采样一个像素点，都会采样 Y 分量，而 U、V 分量都会隔行按照 2:1 进行采样。

一张 1920 * 1280 大小的图片，采用 YUV 4:2:0 采样时的大小为：

(1920 * 1280 * 8 + 1920 * 1280 * 0.25 * 8 * 2 ) / 8 / 1024 / 1024 = 3.51M

相比 RGB，节省了一半的存储空间。

四、YUV 存储格式

说完了采样，接下来就是如何把采样的数据存储起来。

YUV 的存储格式，有两种：

• planar 平面格式
  • 指先连续存储所有像素点的 Y 分量，然后存储 U 分量，最后是 V 分量。
• packed 打包模式
  • 指每个像素点的 Y、U、V 分量是连续交替存储的。

根据采样方式和存储格式的不同，就有了多种 YUV 格式。这些格式主要是基于 YUV 4:2:2 和 YUV 4:2:0 采样。

常见的基于 YUV 4:2:2 采样的格式如下表：

YUV 4:2:2 采样
YUYV 格式
UYVY 格式
YUV 422P 格式

常见的基于 YUV 4:2:0 采样的格式如下表：

	YUV 4:2:0 采样	YUV 4:2:0 采样
YUV 420P 类型	YV12 格式	YU12 格式
YUV 420SP 类型	NV12 格式	NV21 格式

更多的 YUV 格式信息参考这里：YUV pixel formats

基于 YUV 4:2:2 采样的格式

YUV 4:2:2 采样规定了 Y 和 UV 分量按照 2: 1 的比例采样，两个 Y 分量公用一组 UV 分量。

YUYV 格式

YUYV 格式是采用打包格式进行存储的，指每个像素点都采用 Y 分量，但是每隔一个像素采样它的 UV 分量，排列顺序如下：

Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量....

UYVY 格式

UYVY 格式也是采用打包格式进行存储，它的顺序和 YUYV 相反，先采用 U 分量再采样 Y 分量，排列顺序如下：

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量....

根据 UV 和 Y 的顺序还有其他格式，比如，YVYU 格式，VYUY 格式等等，原理大致一样了。

YUV 422P 格式

YUV 422P 格式，又叫做 I422，采用的是平面格式进行存储，先存储所有的 Y 分量，再存储所有的 U 分量，再存储所有的 V 分量。

基于 YUV 4:2:0 采样的格式

基于 YUV 4:2:0 采样的格式主要有 YUV 420P 和 YUV 420SP 两种类型，每个类型又对应其他具体格式。

• YUV 420P 类型
  • YU12 格式
  • YV12 格式
• YUV 420SP 类型
  • NV12 格式
  • NV21 格式

YUV 420P 和 YUV 420SP 都是基于 Planar 平面模式 进行存储的，先存储所有的 Y 分量后， YUV420P 类型就会先存储所有的 U 分量或者 V 分量，而 YUV420SP 则是按照 UV 或者 VU 的交替顺序进行存储了，具体查看看下图：

YUV420SP 的格式：

YUV420P 的格式：

YU12 和 YV12 格式

YU12 和 YV12 格式都属于 YUV 420P 类型，即先存储 Y 分量，再存储 U、V 分量，区别在于：YU12 是先 Y 再 U 后 V，而 YV12 是先 Y 再 V 后 U 。

YV 12 的存储格式如下图所示：

YU 12

又称作 I420 格式，它的存储格式就是把 V 和 U 反过来了。

NV12 和 NV21 格式

NV12 和 NV21 格式都属于 YUV420SP 类型。它也是先存储了 Y 分量，但接下来并不是再存储所有的 U 或者 V 分量，而是把 UV 分量交替连续存储。

NV12 是 IOS 中有的模式，它的存储顺序是先存 Y 分量，再 UV 进行交替存储。

NV21 是 安卓 中有的模式，它的存储顺序是先存 Y 分量，在 VU 交替存储。

参考链接：

https://blog.****.net/zhying719/article/details/96421405

https://blog.****.net/grow_mature/article/details/9004548

http://www.cnblogs.com/azraelly/archive/2013/01/01/2841269.html

https://blog.****.net/MrJonathan/article/details/17718761

https://blog.****.net/wudebao5220150/article/details/13295603

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms867704.aspx

https://www.fourcc.org/yuv.php