RGB & YUV 詳解

作為一名前端開發(fā)人員，我們時(shí)常會(huì)接觸到RGB，但YUV的話，可能大部分同學(xué)都沒有了解過。其實(shí)RGB和YUV都是應(yīng)用比較廣泛的顏色空間。今天，我們來詳細(xì)的了解一下RGB和YUV。

RGB

RGB是我們平時(shí)遇到最多的顏色空間。使用RGB表示的每種顏色都是由紅光、綠光、藍(lán)光組合而成的。對(duì)于使用RGB存儲(chǔ)的圖片，我們分別使用R、G、B三個(gè)分量來表示紅光、綠光、藍(lán)光，每個(gè)分量占每個(gè)分量8bit，并且三個(gè)分量依次排列存儲(chǔ)，表示一個(gè)像素。

RGB.png

上圖中，圖像數(shù)據(jù)以R > G > B的排列順序進(jìn)行存儲(chǔ)，這個(gè)排序并不是絕對(duì)的，也有可能是以B > G > R的順序進(jìn)行存儲(chǔ)。

RGB常常用于圖像的存儲(chǔ)，并且十分簡(jiǎn)單。但是在視頻領(lǐng)域中，RGB就不那么常見了。我們知道，視頻其實(shí)是由一張張連續(xù)的圖片序列組成的，我們假設(shè)有一個(gè)1080p（1920 * 1080）分辨率、幀率為30幀的視頻，如果不對(duì)視頻進(jìn)行壓縮，并且使用RGB進(jìn)行存儲(chǔ)的話，僅僅一分鐘的視頻就能達(dá)到 （ 1920 * 1080 * 8 * 30 * 60 ）bit （約等于27G）。這明顯是不現(xiàn)實(shí)的，所以我們需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

但由于RGB的三個(gè)分量是存在相關(guān)性的，這不利于我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。所以我們需要一種數(shù)據(jù)相關(guān)性沒那么強(qiáng)的顏色空間，我們接下來要介紹的YUV，就是這么一種顏色空間。

YUV

YUV同樣使用三個(gè)分量來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，他們分別是

  • Y：用于表示明亮度（Luminance或Luma）；
  • U： 用于表示色度（Chrominance或Chroma）；
  • V：用于表示色度（Chrominance或Chroma）；

Y其實(shí)就是我們常說的灰度值，是圖片的總體輪廓，而U和V則用于描述色彩顏色和顏色飽和度。

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上面的第一張圖片為YUV圖片的原圖，下面的圖片分別為只有Y分量、只有U分量、只有V分量數(shù)據(jù)的圖片?？梢钥吹街挥衁分量的圖片能夠看清楚圖片的輪廓，但圖片是黑白的。

YUV的類型

常見的YUV有YUV444，YUV422，YUV420，不同類型之間的主要區(qū)別是使用了不同的方式進(jìn)行U、V分量的采樣。

image.png

如上圖所示，其中實(shí)心黑點(diǎn)表示像素點(diǎn)的Y分量，空心圓圈表示采用該像素點(diǎn)的UV分量。

YUV444

YUV444中每個(gè)Y分量分別對(duì)應(yīng)一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。

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YUV422

YUV422中每?jī)蓚€(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。

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YUV420

YUV420中每撕個(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。

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我們可以清楚的看到，在存儲(chǔ)一張2 * 2像素的圖片時(shí)，YUV444需要 12 * 8 bit，

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YUV422需要 8 * 8 bit，

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而YUV420則只需要 6 * 8 bit。

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YUV444存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量與RGB相同，但YUV422和YUV420卻只需要存儲(chǔ)RGB的數(shù)據(jù)量的 2/3 和 1/2 。

YUV的存儲(chǔ)方式

YUV有packed（打包）和 planar（平面）兩種存儲(chǔ)方式。

  • packed ：packed格式是先連續(xù)存儲(chǔ)所有的Y分量，然后依次交叉儲(chǔ)存U、V分量；
  • planar：planar格式也會(huì)先連續(xù)存儲(chǔ)所有的Y分量，但planar會(huì)先連續(xù)存儲(chǔ)U分量的數(shù)據(jù)，再連續(xù)存儲(chǔ)V分量的數(shù)據(jù)，或者先連續(xù)存儲(chǔ)V分量的數(shù)據(jù)，再連續(xù)存儲(chǔ)U分量的數(shù)據(jù)；

每種YUV類型都會(huì)有多種存儲(chǔ)方式，接下來我們來解析一下比較常用的YUV422和YUV420。

YUV422

  • YU16：也叫I422或YUV422P，每?jī)蓚€(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以planar方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再連續(xù)存儲(chǔ)U分量，最后連續(xù)儲(chǔ)存V分量。
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  • YV16：也叫I422或YUV422P，每?jī)蓚€(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以planar方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再連續(xù)存儲(chǔ)V分量，最后連續(xù)儲(chǔ)存U分量。
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  • NV16：也叫YUV422SP，每?jī)蓚€(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以packed方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再以U、V的順序交叉存儲(chǔ)U分量和Y分量。
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  • NV61：也叫YUV422SP，每?jī)蓚€(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以packed方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再以V、U的順序交叉存儲(chǔ)U分量和Y分量。
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YUV420

  • YU12：也叫I420或YUV420P，每四個(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以planar方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再連續(xù)存儲(chǔ)U分量，最后連續(xù)儲(chǔ)存V分量。
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  • YV12：也叫I420或YUV420P，每四個(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以planar方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再連續(xù)存儲(chǔ)V分量，最后連續(xù)儲(chǔ)存U分量。
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  • NV12：也叫YUV420SP，每四個(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以packed方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再以U、V的順序交叉存儲(chǔ)U分量和Y分量。
image.png
  • NV21：也叫YUV422SP，每四個(gè)Y分量共用一個(gè)U分量和一個(gè)V分量，以packed方式進(jìn)行存儲(chǔ)，先連續(xù)儲(chǔ)存Y分量，再以V、U的順序交叉存儲(chǔ)U分量和Y分量。
image.png

YUV的優(yōu)勢(shì)

  1. 便于壓縮編碼。RGB表示的每種顏色都是由紅光、綠光、藍(lán)光組合而成的，我們分別使用R、G、B三個(gè)分量來表示紅光、綠光、藍(lán)光，每個(gè)像素的三個(gè)分量之間存在著相關(guān)性。所以通常會(huì)把RGB轉(zhuǎn)換成YUV進(jìn)行壓縮。
  2. 數(shù)據(jù)量相對(duì)RGB來說更小。前面我們有分析過，同樣分辨率的圖像，YUV444存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量與RGB相同，但YUV422和YUV420卻只需要存儲(chǔ)RGB的數(shù)據(jù)量的 2/3 和 1/2 。
  3. 能夠兼容老式黑白電視。Y分量單獨(dú)顯示是其實(shí)就是黑白圖像，因此YUV由彩色轉(zhuǎn)黑白只需要去除UV相關(guān)的數(shù)據(jù)就可以了。

YUV與RGB之間的轉(zhuǎn)換

雖然一般的視頻編碼都會(huì)使用YUV，但由于大多是的采集設(shè)備都是使用RGB的，所以YUV與RGB之間的轉(zhuǎn)換是十分常見的。

YUV與RGB之間的轉(zhuǎn)換是存在標(biāo)準(zhǔn)的，常見的標(biāo)準(zhǔn)有ITU-R BT.601（標(biāo)清）、ITU-R BT.709（高清）、ITU-R BT.2020（超高清）。不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的準(zhǔn)換公式，同時(shí)還要區(qū)分不同的Color Range。

Color Range用于指定RGB分量的取值范圍，可分為Full Range（取值范圍為0~255）和Limited Range（取值范圍為16~235）

BT.601, which is the standard for SDTV.

  • RGB > YUV
Y = 0.299R+0.587G+0.114B
V = 0.713(R?Y)=0.500R?0.419G?0.081B
U = 0.564(B?Y)=?0.169R?0.331G+0.500B
  • YUV > RGB
R = 1.164Y+1.596V-0.871;
G = 1.164Y-0.813V-0.391U+0.529;
B = 1.164Y+2.018U-1.0729;

BT.601，F(xiàn)ull Range

  • RGB > YUV
Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B 　　　
V = -0.169 * R - 0.331 * G + 0.500 * B
U = 0.500 * R - 0.439 * G - 0.081 * B
  • YUV > RGB
R = Y + 1.400V - 0.7
G = Y - 0.343U - 0.711V + 0.526
B = Y + 1.765U - 0.883

BT.709, which is the standard for HDTV.

  • RGB > YUV
Y = 0.0627 + 0.183 * R + 0.614 * g + 0.062 * b
U = 0.5 - 0.101 * R - 0.339 * g + 0.439 * b
V = 0.5 + 0.439 * R - 0.399 * g - 0.040 * b
  • YUV > RGB
R = 1.164Y + 1.739V - 0.97
G = 1.164Y - 0.213U - 0.533V + 0.301
B = 1.164Y + 2.112U - 1.129
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