YUV格式詳解

1. 什麼是RGB?

        RGB是紅綠藍三原色的意思,R=Red、G=Green、B=Blue。

2. 什麼是YUV/YCbCr/YPbPr?

        亮度信號經常被稱作Y,色度信號是由兩個互相獨立的信號組成。視顏色系統和格式不同,兩種色度信號經常被稱作U和V或Pb和Pr或Cb和Cr。這些都是由不 同的編碼格式所產生的,但是實際上,他們的概念基本相同。在DVD中,色度信號被存儲成Cb和Cr(C代表顏色,b代表藍色,r代表紅色)。

3. 什麼是4:4:4、4:2:2、4:2:0?

        在最近十年中,視頻工程師發現人眼對色度的敏感程度要低於對亮度的敏感程度。在生理學中,有一條規律,那就是人類視網膜上的視網膜杆細胞要多於視網膜錐細 胞,說得通俗一些,視網膜杆細胞的作用就是識別亮度,而視網膜錐細胞的作用就是識別色度。所以,你的眼睛對於亮和暗的分辨要比對顏色的分辨精細一些。正是 因爲這個,在我們的視頻存儲中,沒有必要存儲全部顏色信號。既然眼睛看不見,那爲什麼要浪費存儲空間(或者說是金錢)來存儲它們呢?
像Beta或VHS之類的消費用錄像帶就得益於將錄像帶上的更多帶寬留給黑—白信號(被稱作“亮度”),將稍少的帶寬留給彩色信號(被稱作“色度”)。
        在MPEG2(也就是DVD使用的壓縮格式)當中,Y、Cb、Cr信號是分開儲存的(這就是爲什麼分量視頻傳輸需要三條電纜)。其中Y信號是黑白信號,是以全分辨率存儲的。但是,由於人眼對於彩色信息的敏感度較低,色度信號並不是用全分辨率存儲的。
        色度信號分辨率最高的格式是4:4:4,也就是說,每4點Y採樣,就有相對應的4點Cb和4點Cr。換句話說,在這種格式中,度信號的分辨率和亮度信號的 分辨率是相同的。這種格式主要應用在視頻處理設備內部,避免畫面質量在處理過程中降低。當圖像被存儲到Master Tape,比如D1或者D5,的時候,顏色信號通常被削減爲4:2:2。


         在圖中,你可以看到4:4:4格式的亮度、色度採樣分佈。就像圖中所表示的,畫面中每個象素都有與之對應的色度和亮度採樣信息。[/center]
其 次就是4:2:2,就是說,每4點Y採樣,就有2點Cb和2點Cr。在這種格式中,色度信號的掃描線數量和亮度信號一樣多,但是每條掃描線上的色度採樣點 數卻只有亮度信號的一半。當4:2:2信號被解碼的時候,“缺失”的色度採樣,通常由一定的內插補點算法通過它兩側的色度信息運算補充。
        看4:2:2格式亮度、色度採樣的分佈情況。在這裏,每個象素都有與之對應的亮度採樣,同時一半的色度採樣被丟棄,所以我們看到,色度採樣信號每隔 一個採樣點纔有一個。當着張畫面顯示的時候,缺少的色度信息會由兩側的顏色通過內插補點的方式運算得到。就像上面提到的那樣,人眼對色度的敏感程度不如亮 度,大多數人並不能分辨出4:2:2和4:4:4顏色構成的畫面之間的不同。

        色度信號分辨率最低的格式,也就是DVD所使用的 格式,就是4:2:0了。事實上4:2:0是一個混亂的稱呼,按照字面上理解,4:2:0應該是每4點Y採樣,就有2點Cb和0點Cr,但事實上完全不是 這樣。事實上,4:2:0的意思是,色度採樣在每條橫向掃描線上只有亮度採樣的一半,掃描線的條數上,也只有亮度的一半!換句話說,無論是橫向還是縱向, 色度信號的分辨率都只有亮度信號的一半。舉個例子,如果整張畫面的尺寸是720*480,那麼亮度信號是720*480,色度信號只有360*240。在 4:2:0中,“缺失”的色度採樣不單單要由左右相鄰的採樣通過內插補點計算補充,整行的色度採樣也要通過它上下兩行的色度採樣通過內插補點運算獲得。這 樣做的原因是爲了最經濟有效地利用DVD的存儲空間。誠然,4:4:4的效果很棒,但是如果要用4:4:4存儲一部電影,我們的DVD盤的直徑至少要有兩 英尺(六十多釐米)!
       上圖表示了概念上4:2:0顏色格式,非交錯畫面中亮度、色度採樣信號的排列情況。同4:2:2格式 一樣,每條掃描線中,只有一半的色度採樣信息。與4:2:2不同的是,不光是橫向的色度信息被“扔掉”了一半,縱向的色度信息也被“扔掉”了一半,整個屏 幕中色度採樣只有亮度採樣的四分之一。請注意,在4:2:0顏色格式中,色度採樣被放在了兩條掃描線中間。爲什麼會這樣呢?很簡單:DVD盤上的顏色採樣 是由其上下兩條掃描線的顏色信息“平均”而來的。比如,圖三中,第一行顏色採樣(Line 1和Line 2中間夾着的那行)是由Line 1和Line 2“平均”得到的,第二行顏色採樣(Line 3和Line 4中間夾着的那行)也是同樣的道理,是由Line 3和Line 4得到的。
雖然文章中多次提到“平均”這個概念,但是這個“平均”可不是我們通常意義上的(a+B)/2的平均。顏色的處理有極其複雜的算法保證其最大限度地減少失真,接近原始質量。

4. 什麼是YV12,什麼是YUY2?

         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。(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YUV2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

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