音视频日记 - YUV 格式详解

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YUV 是一种彩色编码系统，主要用在视频、图形处理流水线中 (pipeline)。相对于 RGB 颜色空间，设计 YUV 的目的就是为了编码、传输的方便，减少带宽占用和信息出错。

人眼的视觉特点是对亮度更铭感，对位置、色彩相对来说不铭感。在视频编码系统中为了降低带宽，可以保存更多的亮度信息 (luma)，保存较少的色差信息 (chroma)。

YUV 的相似概念

Y’UV、YUV、YCbCr、YPbPr 几个概念其实是一回事儿。

由于历史关系，Y’UV、YUV 主要是用在彩色电视中，用于模拟信号表示。

YCbCr 是用在数字视频、图像的压缩和传输，如 MPEG、JPEG。

今天大家所讲的 YUV 其实就是指 YCbCr。Y 表示亮度（luma），CbCr 表示色度（chroma）。

luminance 亮度，luma 是在视频编码系统中指亮度值；chrominance 色度，chroma 是在视频编码系统中指色度值。

Y’UV 设计的初衷是为了使彩色电视能够兼容黑白电视。对于黑白电视信号，没有色度信息也就是 (UV)，那么在彩色电视显示的时候指显示亮度信息。

Y’UV 不是 Absolute Color Space，只是一种 RGB 的信息编码，实际的显示还是通过 RGB 来显示。Y’,U,V 叫做不同的 component。

YUV 后数字的含义

我们一般理解为 yuv444，yuv422，yuv420 的解释是后面三个数字分别对应前面三个字母。
拿 yuv422 来说：
y 对应 4，表示 4 个图形像素中，每个都有亮度值
u 对应 2，表示 4 个图形像素中，Cb 占用两个像素
v 对应 2，表示 4 个图形像素中，Cr 占用两个像素

但是对于 yuv420 解释就不对了，不能说 4 个图形像素中，Cr 占用 0 个像素吧？

我们通过下图来理解一下 yuv 各种格式后面数字的含义。图来源于 Chrominance Subsampling in Digital Images

YUV

如上图中所示，左侧一列，每一个小矩形是图形像素表示，黑框矩形是色度像素表示，小黑点是表示色度像素值 (Cb + Cr)，表示图形像素和色度像素在水平和垂直方向的比例关系。比如，

- 4:4:0 水平方向是 1/1，垂直方向是 1/2，表示 1 个色度像素对应了 2 个图形像素。
- 4:2:2 水平方向是 1/2，垂直方向是 1/1，表示 1 个色度像素对应了 2 个图形像素。
- 4:2:0 水平方向是 1/2，垂直方向是 1/2，表示 1 个色度像素对应了 4 个图形像素。

右侧一列是二次采样模式记号表示, 是 J:a:b 模式，即 YUV 后数字表示的模式。图中实心黑色圆圈表示包含色度像素 (Cb + Cr），空心圆圈表示不包含色度像素。

对于 J:a:b 模式，定义了一个 J x 2 的矩形参考块
J 通常是 4，此参考块就是宽度有 4 个像素、高度有 2 个像素的矩形
a 表示参考块的第一行包含的色度像素样本数
b 表示在参考块的第二行包含的色度像素样本数

- 4:4:0 参考块第 1 行包含 4 个色度样本，第 2 行没有包含色度样本。
- 4:2:2 参考块第 1 行包含 2 个色度样本，第 2 行也包含 2 个色度样本，他们是交替出现。
- 4:2:0 参考块第 1 行包含 2 个色度样本，第 2 行没有包含色度样本。

存在的一个例外是 4:1:0，其在每个亮度平面分辨率为 4 x 4 的块内提供一个色度样本。

参考资料