YUV色彩介紹

　　YUV是被歐洲電視系統所採用的一種顏色編碼方法（屬於PAL），是PAL和SECAM模擬彩色電視制式採用的顏色空間。其中的Y,U,V幾個字母不是英文單詞的組合詞，Y代表亮度，uv代表色差，u和v是構成彩色的兩個分量。在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，然後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度信號Y 和兩個色差信號R－Y（即U）、B－Y（即V），最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV 色彩空間表示。採用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信號分量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用YUV空間正是爲了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。 

優點作用 
　　YUV主要用於優化彩色視頻信號的傳輸，使其向後相容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優點在於只需佔用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸）。其中 “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，用於指定像素的顏色。“亮度”是透過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。“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來表示。其中，Cr反映了GB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信號亮度值之同的差異。 
　　採用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，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視採用YUV空間正是爲了用亮度信號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。 
　　YUV與RGB相互轉換的公式如下（RGB取值範圍均爲0-255）︰ 
　　Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B 
　　U = -0.147R - 0.289G + 0.436B 
　　V = 0.615R - 0.515G - 0.100B 
　　R = Y + 1.14V 
　　G = Y - 0.39U - 0.58V 
　　B = Y + 2.03U 
　　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。 

YUV主要的採樣格式 
　　主要的採樣格式有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，其含義爲：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），（全採樣後，YUV仍各佔8bit）。按4:1:1採樣後，而現在平均僅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4個點，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每個點佔12bits(如下圖第二個圖)。這樣就把圖像的數據壓縮了一半。 
　　上邊僅給出了理論上的示例，在實際數據存儲中是有可能是不同的，下面給出幾種具體的存儲形式： 
　　（1） YUV 4:4:4 
　　YUV三個信道的抽樣率相同，因此在生成的圖像裏，每個象素的三個分量信息完整（每個分量通常8比特），經過8比特量化之後，未經壓縮的每個像素佔用3個字節。 
　　下面的四個像素爲: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 
　　存放的碼流爲: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3 
　　（2） 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佔用4字節內存。
　　下面的四個像素爲：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 
　　存放的碼流爲：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 
　　映射出像素點爲：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3] 
　　（3） 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。對於低端用戶和消費類產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佔用6字節內存。 
　　下面的四個像素爲: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 
　　存放的碼流爲: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3 
　　映射出像素點爲：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2] 
　　（4）YUV4:2:0 
　　4:2:0並不意味着只有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佔用6字節內存。 
　　下面八個像素爲：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] 
　　[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8] 
　　存放的碼流爲：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 
　　Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8 
　　映射出的像素點爲：[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7] 
　　[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7] 

各種YUV格式（圖） 
　　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組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；而後者使用三個數組分開存放YUV三個分量，就像是一個三維平面一樣。表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而 IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介紹各種具體格式時，YUV各分量都會帶有下標，如Y0、U0、V0表示第一個像素的YUV分量，Y1、 U1、V1表示第二個像素的YUV分量，以此類推。） 
　　¨ YUY2（和YUYV）格式爲每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素採樣一次。一個宏像素爲4個字節，實際表示2個像素。（4:2:2的意思爲一個宏像素中有4個Y分量、2個U分量和2個V分量。）圖像數據中YUV分量排列順序如下： 
　　Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 … 
　　¨ YVYU格式跟YUY2類似，只是圖像數據中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，只是圖像數據中YUV分量的排列順序有所不同： 
　　U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 … 
　　¨ AYUV格式帶有一個Alpha通道，並且爲每個像素都提取YUV分量，圖像數據格式如下： 
　　A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 … 
　　¨ Y41P（和Y411）格式爲每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素採樣一次。一個宏像素爲12個字節，實際表示8個像素。圖像數據中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個像素採樣一次，而UV分量每4個像素採樣一次。一個宏像素爲4個字節，實際表示4個像素。圖像數據中YUV分量排列順序如下： 
　　Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 … 
　　¨ YVU9格式爲每個像素都提取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，然後每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。圖像數據存儲時，首先是整幅圖像的Y分量數組，然後就跟着U分量數組，以及V分量數組。IF09格式與YVU9類似。 
　　¨ IYUV格式爲每個像素都提取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，然後每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。YV12格式與IYUV類似。 
　　¨ YUV411、YUV420格式多見於DV數據中，前者用於NTSC制，後者用於PAL制。YUV411爲每個像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素採樣一次。YUV420並非V分量採樣爲0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差採樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減小一半色差採樣，如上圖所示。