談談RGB、YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV

 小知識：RGB與YUV----摘自《DirectShow實務精選》 作者：陸其明

計算機彩色顯示器顯示色彩的原理與彩色電視機一樣，都是採用R（Red）、G（Green）、B（Blue）相加混色的原理：通過發射出三種不同強度的電子束，使屏幕內側覆蓋的紅、綠、藍磷光材料發光而產生色彩。這種色彩的表示方法稱爲RGB色彩空間表示（它也是多媒體計算機技術中用得最多的一種色彩空間表示方法）。
根據三基色原理，任意一種色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成。

F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]

其中，r、g、b分別爲三基色參與混合的係數。當三基色分量都爲0（最弱）時混合爲黑色光；而當三基色分量都爲k（最強）時混合爲白色光。調整r、g、b三個係數的值，可以混合出介於黑色光和白色光之間的各種各樣的色光。
那麼YUV又從何而來呢？在現代彩色電視系統中，通常採用三管彩色攝像機或彩色CCD攝像機進行攝像，然後把攝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。作爲視頻媒體類型的輔助說明類型（Subtype），它們對應的GUID見表2.3。

表2.3 常見的RGB和YUV格式

GUID    格式描述
MEDIASUBTYPE_RGB1    2色，每個像素用1位表示，需要調色板
MEDIASUBTYPE_RGB4    16色，每個像素用4位表示，需要調色板
MEDIASUBTYPE_RGB8    256色，每個像素用8位表示，需要調色板
MEDIASUBTYPE_RGB565    每個像素用16位表示，RGB分量分別使用5位、6位、5位
MEDIASUBTYPE_RGB555    每個像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下的1位不用）
MEDIASUBTYPE_RGB24    每個像素用24位表示，RGB分量各使用8位
MEDIASUBTYPE_RGB32    每個像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位不用）
MEDIASUBTYPE_ARGB32    每個像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位用於表示Alpha通道值）
MEDIASUBTYPE_YUY2    YUY2格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_YUYV    YUYV格式（實際格式與YUY2相同）
MEDIASUBTYPE_YVYU    YVYU格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_UYVY    UYVY格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_AYUV    帶Alpha通道的4:4:4 YUV格式
MEDIASUBTYPE_Y41P    Y41P格式，以4:1:1方式打包
MEDIASUBTYPE_Y411    Y411格式（實際格式與Y41P相同）
MEDIASUBTYPE_Y211    Y211格式
MEDIASUBTYPE_IF09    IF09格式
MEDIASUBTYPE_IYUV    IYUV格式
MEDIASUBTYPE_YV12    YV12格式
MEDIASUBTYPE_YVU9    YVU9格式

下面分別介紹各種RGB格式。

¨RGB1、RGB4、RGB8都是調色板類型的RGB格式，在描述這些媒體類型的格式細節時，通常會在BITMAPINFOHEADER數據結構後面跟着一個調色板（定義一系列顏色）。它們的圖像數據並不是真正的顏色值，而是當前像素顏色值在調色板中的索引。以RGB1（2色位圖）爲例，比如它的調色板中定義的兩種顏色值依次爲0x000000（黑色）和0xFFFFFF（白色），那麼圖像數據001101010111…（每個像素用1位表示）表示對應各像素的顏色爲：黑黑白白黑白黑白黑白白白…。

¨ RGB565使用16位表示一個像素，這16位中的5位用於R，6位用於G，5位用於B。程序中通常使用一個字（WORD，一個字等於兩個字節）來操作一個像素。當讀出一個像素後，這個字的各個位意義如下：
高字節              低字節
R R R R R G G G     G G G B B B B B
可以組合使用屏蔽字和移位操作來得到RGB各分量的值：

#define RGB565_MASK_RED    0xF800
#define RGB565_MASK_GREEN  0x07E0
#define RGB565_MASK_BLUE   0x001F
R = (wPixel & RGB565_MASK_RED) >> 11;   // 取值範圍0-31
G = (wPixel & RGB565_MASK_GREEN) >> 5;  // 取值範圍0-63
B =  wPixel & RGB565_MASK_BLUE;         // 取值範圍0-31

¨ RGB555是另一種16位的RGB格式，RGB分量都用5位表示（剩下的1位不用）。使用一個字讀出一個像素後，這個字的各個位意義如下：
高字節             低字節
X R R R R G G       G G G B B B B B       （X表示不用，可以忽略）
可以組合使用屏蔽字和移位操作來得到RGB各分量的值：

#define RGB555_MASK_RED    0x7C00
#define RGB555_MASK_GREEN  0x03E0
#define RGB555_MASK_BLUE   0x001F
R = (wPixel & RGB555_MASK_RED) >> 10;   // 取值範圍0-31
G = (wPixel & RGB555_MASK_GREEN) >> 5;  // 取值範圍0-31
B =  wPixel & RGB555_MASK_BLUE;         // 取值範圍0-31

¨ RGB24使用24位來表示一個像素，RGB分量都用8位表示，取值範圍爲0-255。注意在內存中RGB各分量的排列順序爲：BGR BGR BGR…。通常可以使用RGBTRIPLE數據結構來操作一個像素，它的定義爲：

typedef struct tagRGBTRIPLE { 
BYTE rgbtBlue;    // 藍色分量
BYTE rgbtGreen;   // 綠色分量
BYTE rgbtRed;     // 紅色分量
} RGBTRIPLE;

¨ RGB32使用32位來表示一個像素，RGB分量各用去8位，剩下的8位用作Alpha通道或者不用。（ARGB32就是帶Alpha通道的RGB32。）注意在內存中RGB各分量的排列順序爲：BGRA BGRABGRA…。通常可以使用RGBQUAD數據結構來操作一個像素，它的定義爲：

typedef struct tagRGBQUAD {
BYTE    rgbBlue;      // 藍色分量
BYTE    rgbGreen;     // 綠色分量
BYTE    rgbRed;       // 紅色分量
BYTE    rgbReserved;  // 保留字節（用作Alpha通道或忽略）
} RGBQUAD;

下面介紹各種YUV格式。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，如圖2.12所示。






顏色問題：
我們在DVDRIP或內嵌的時候，通常會遇到一些關於顏色方面的術語，比如YUV、RGB、YV12、4:2:2、4:2:0等等。不少人剛接觸到這些東西的時候，會覺得暈頭轉向，不知所云。
再如，不少文章中強調影片在VDM處理的過程中要選Fast recompress，但是Fast recompress、Normal recompress、Full processing mode之間又有什麼區別呢？
本文來一一爲您解答這些問題。
本 文是一篇總結性的文章，所以不少段落都是直接摘自其他的文章的。在這裏向原作者表示謝意。本文參考了原載於DVD Benchmark由DonMunsil & Stacey Spears原作的《The Chroma UpsamplingError（顏色Upsampling錯誤）》和Silky的文章。

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，色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MasterTape，比如D1或者D5，的時候，顏色信號通常被削減爲4:2:2。
[center]
在圖一中，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。
[center]
圖二表示了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。[/center]
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）！
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圖三表示了概念上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Line1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。[/center]

4.什麼是YV12，什麼是YUY2？
在個人計算機上，這些YUV讀出來以後會以一些格式包裝起來，送給軟件或硬件處理。包裝的方式分成兩種，一種是Packed format，把Y和相對應的UV包在一起。另一種是Planar format，把Y和U和V三種分別包裝，拆成三個plane（平面）。
其中YV12和YUY2都是一種YUV的包裝格式，而且兩種都是Packed format。（實際上，只有YUY2纔是Packed format，而YV12則是屬於Planar format。）
YV12和YUY2的不同，在於YV12是YUV4:2:0格式，也就是DVD/VCD上原本儲存的格式。YUY2則是YUV4:2:2格式。

5.爲什麼影片在VDM處理的過程中要選Fast recompress？
選擇Fast recompress的原因，現得從Avisynth 2.5講起。
Avisynth 2.5最大的特色，就是支持YV12直接處理。我們知道原始MPEG數據是YUV4:2:0，也就是YV12的格式，以前我們在做DivX/XviD壓縮的時候，處理流程是：
DVD/VCD(YUV 4:2:0) -> DVD2AVI(YUV 4:2:0 ->YUV4:2:2 ->YUV4:4:4-> RGB24) -> VFAPI(RGB24) -> TMPGEnc/AviUtl/VirtualDub(RGB24)-> DivX/XviD Codec(RGB24 ->YUV4:2:0) -> MPEG-4(YUV 4:2:0)
ps. VFAPI 內部只能以 RGB24 傳遞數據，所以會轉成 RGB24 輸出
或是
DVD/VCD(YUV 4:2:0) -> MPG2DEC.DLL(YUV 4:2:0 ->YUV4:2:2) ->Avisynth 2.0.x(只能用支援YUV4:2:2 的濾鏡，不能用 RGB24/32 的 filter) ->VirtualDub(YUV 4:2:2，不能使用 VD 的 filter，因爲 VD 的 filetr 都是在 RGB32上處理，壓縮時要選 Fast recompress，纔會直接原封不動的送YUV4:2:2，也就是 YUY2 的數據給 Codec 壓縮)-> DivX/XviD Codec(YUV 4:2:2 ->YUV4:2:0) -> MPEG-4(YUV 4:2:0)
所以以前的處理流程中間要經過好幾次YUV<-> RGB 的轉換。這個轉換是有損的，做得越多次，原始的色彩信息就損失的越嚴重。而且這個轉換的計算又耗時（這就可以解釋爲什麼我們將YV12轉爲RGB輸出時會卡的多，不過，RGB的品質真的更高的多）。那麼有人（Marc FD）就想到，反正最後轉成 MPEG 都要存成YUV4:2:0 的格式，那麼爲什麼不乾脆一路到底，全程都以YV12處理，也就是所有的 filter 都改寫成YV12的版本，直接在YV12上做調整色彩、濾噪訊、IVTC 等工作，這樣：
1. 處理的數據量少。（YV12的資料，UV 比YUY2少一半，比RGB 24/32少更多）
2. 不用轉換計算
所以速度快。再加上又可以避免YUV<-> RGB 轉換的損失，豈不是一舉兩得？
所以支持YV12的 Avisynth 2.5 就誕生了。
但 是目前VirtualDub還是不支持 YV12，即使選 Fast recompress，VD還是會將YV12的輸入轉爲YUY2。所以要得到全程YV12處理的好處，必須使用VirtualDubMod才行，這個改版纔有支持YV12。只有在選擇Fastrecompress的時候，VDM纔不會進行任何處理，直接將數據丟給編碼器壓縮，這樣就能保留YV12，實現了全程YV12。

 

 

 

 

 

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最近在看一些Video的東西，tool基本上已經有了一個雛形，不過突然間發現自己有點糊塗了，弄不清I420是怎麼一回事了。於是我就在wiki上找了些資料，終於有了些眉目。大致整理如下：

    I420是YUV格式的一種，而YUV有packed format和planar format兩種，而I420屬於planar format的一種。

    同時I420表示了YUV的採樣比例4:2:0。4:2:0的YUV並不是說沒有V分量，而是指對於每一個行，只有一個U或者V分量。比如第一行裏，是YUYYUY，到了第二行是YVYYVY，那麼對於每一行來說就是4:2:0或者4:0:2。需要說明的是，這裏的排列方式是針對packedformat而言的，因此並不適用於I420這樣的planar format。Packed format和plannerformat的區別在於，packedformat中的YUV是混合在一起的，因此就有了UYVY、YUYV等等，他們在碼流中排列的方式有所不同。而對於plannerformat每一個Y分量，U分量和V分量都是以獨立的平面組織的，也就是說所有的U分量都在Y分量之後出現，而V分量在所有的U分量之後。就像三個大色塊一樣。這樣的組織方式除了I420以外還有YV12、IYUV等等。

    值得注意一點的是，planner format沒有像packedformat那樣的順序性，那麼是否意味着420和411就沒有區別了呢，而且有些資料上也有寫 IYUV is identical toI420。wiki上也對此有很明確的說明。表面上看IYUV和I420的data組織形式完全一樣，都是4:1:1的YUV色平面組成，但是I420的UV分量是在2x2的像素點中採樣得到的，而IYUV的UV分量是在1x4的行像素點中採樣得到的，所以在表達的方式上還是有一定差異的。

 

 

有關YUV更詳細的資料，可參考：http://www.fourcc.org/yuv.php

 

 

 

 

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yuv和yCbCr的差異

今天在看intel ipp tutorial的時候，看到了講色彩模型的部分。以前，一直沒明白yuv和YcbCr之間的差異，想必有些朋友也會有同樣的疑惑。所以，我看完之後就記載下來了。



一、和rgb之間換算公式的差異

yuv<-->rgb

Y'= 0.299*R' + 0.587*G' + 0.114*B'

U'= -0.147*R' - 0.289*G' + 0.436*B' = 0.492*(B'- Y')

V'= 0.615*R' - 0.515*G' - 0.100*B' = 0.877*(R'- Y')

R' = Y' + 1.140*V'

G' = Y' - 0.394*U' - 0.581*V'

B' = Y' + 2.032*U'



yCbCr<-->rgb

Y’ = 0.257*R' + 0.504*G' + 0.098*B' + 16

Cb' = -0.148*R' - 0.291*G' + 0.439*B' + 128

Cr' = 0.439*R' - 0.368*G' - 0.071*B' + 128

R' = 1.164*(Y’-16) + 1.596*(Cr'-128)

G' = 1.164*(Y’-16) - 0.813*(Cr'-128) - 0.392*(Cb'-128)

B' = 1.164*(Y’-16) + 2.017*(Cb'-128)

Note: 上面各個符號都帶了一撇，表示該符號在原值基礎上進行了gamma correction



二、來源上的差異

yuv色彩模型來源於rgb模型，

該模型的特點是將亮度和色度分離開，從而適合於圖像處理領域。

應用：basic color model used in analogue color TV broadcasting.



YCbCr模型來源於yuv模型。YCbCr is a scaled and offset version of the YUV color space.

應用：數字視頻，ITU-R BT.601 recommendation



ps:通過上面的比較可以確定，我們在h.264,mpeg等編碼標準中用的yuv其實是YcbCr，大家不要被名稱搞混淆了。

 

 

 

 

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關於YVU採樣

YUV 的優點之一是，色度頻道的採樣率可比 Y 頻道低，同時不會明顯降低視覺質量。
有一種表示法可用來描述 U 和 V 與 Y 的採樣頻率比例，這個表示法稱爲 A:B:C 表示法： 
4:4:4 表示色度頻道沒有下采樣。 
4:2:2 表示 2:1 的水平下采樣，沒有垂直下采樣。
對於每兩個 U 樣例或 V 樣例，每個掃描行都包含四個 Y 樣例。  
4:2:0 表示 2:1 的水平下采樣，2:1 的垂直下采樣。  
4:1:1 表示 4:1 的水平下采樣，沒有垂直下采樣。
對於每個 U 樣例或 V 樣例，每個掃描行都包含四個 Y 樣例。