這篇我們開始講YUV顏色空間，我們把這幾篇文章，前面都帶上這幾個字，就顯示出來了它的重要性，它是理解電視發展史，圖像數字化，圖像/視頻編碼的核心，至少我是這麼認爲的。所以前面分四篇去講了電視機的來龍去脈，相信看了前四篇，對它也有個初步瞭解，下面我們就開始正式介紹YUV顏色空間。
YUV主要應用在彩色圖像和視頻編碼層面，爲什麼這麼說呢？前面我們就知道，模擬圖像數字化爲數字圖像時，需經歷採樣、量化和編碼壓縮階段，而YUV就主要應用在編碼壓縮這個階段。
那爲什麼是YUV這種顏色空間，而不是RGB或者其他顏色空間呢？因爲YUV顏色空間，更好的將人類感知考慮進去了。比如，人眼對亮度更敏感，黑白亮度單純依靠亮度，就可以錄製播出節目，並且人眼不會對黑白圖像產生信息誤讀。而彩色電視，只是順勢而爲的，在黑白圖像的基礎上，加入了人們心裏預估的顏色。所以 “人眼對亮度更敏感” 這點非常重要，在圖像和視頻編碼中，就更深入的應用了這點，而不影響人眼對圖像的判斷。
YUV能夠在除電視系統以外的，其他彩色圖像或視頻上，大展身手，也源於了它最初就是應用在電視上。後來數字電視誕生，人們利用YUV對圖像進行編碼，產生了一系列的編碼標準，然後這些標準被用在商業上。由攝像器材產生的圖像信息，不再只能產生模擬圖像，和廣播電視，它們被編碼爲通用的圖片格式或視頻格式，存儲在手機、電腦、存儲卡等磁盤上。
雖然我們通常在說YUV，但是和它相關的顏色空間有多個，比如Y’UV、YUV、YCbCr、YPbPr。下面我們分開來說。
1、YUV
這個顏色空間我們應該很熟悉，最初知道它的時候，是在講彩色模擬電視的時候，它是PAL彩色電視制使用的顏色空間。其中的Y是黑白電視系統使用的Y，而後彩色電視產生，於是在Y的基礎上，加上了色差信息U和V，保證了黑白電視的兼容。這裏的 UV爲什麼稱爲色差，是因爲它們分別是藍和紅與Y的差值。也即
U = B - Y V = R - Y
注意這裏的B和R不是RGB裏的B和R，只是代表了藍和紅信息，就像CIE XYZ一樣，如果你還記得的話。
2、Y’UV
它其實和YUV是同一個概念，只不過Y帶了撇，代表了非線性的YUV。我們之前提到過伽瑪矯正，這裏的非線性就是伽瑪校正的結果。
3、YPbPr
這個也是模擬電視中使用的，只需要知道就好，和YUV類似。
4、YCbCr
YCbCr顏色空間是在ITU-R BT.601和ITU-R BT.709中定義的，它們定義了YCbCr爲數字電視的顏色空間，並且定義了RGB和YCbCr的具體轉換關係。說到這裏你可能明白了，我們前面說的圖像或視頻編碼，使用的顏色空間就是它，因爲它是使用在數字電視中的顏色空間，並且定義在ITU-R BT.601和ITU-R BT.709中，說明是在圖像數字化過程中使用的。而前面幾個顏色空間，比如YUV、YPbPr，是模擬電視中使用的，跟數字視頻或圖像的編碼不沾邊。
那麼現在就有一個問題了，爲啥我們文章開頭在講編碼時，還使用YUV這一詞呢？那是因爲，現在我們通常說的YUV，不只是模擬電視裏那個YUV了，它在計算機行業，被用來描述使用YCbCr編碼的文件格式。所以我們說YUV時，也是在說YCbCr。
哈哈，是不是很魔性，那麼接下來，我們就來分析分析YCbCr，主要是來看看，在文檔裏定義的它和RGB的轉換關係，這也是做視頻編碼的人比較熟悉的數字。
ITU-R BT.601中定義的YCbCr與RGB的轉換
這張圖是從維基百科上截的，式中的Y’UV也即YCbCr。一式具體的計算如下：
式中的係數，就是ITU-R BT.601定義的，因爲SDTV較早流行，所以目前在做編碼時，通常使用的也就是這個轉換關係。在YUV向RGB轉換式中，當我們假設U和V同時爲0時，也就是色差信號爲0，我們可以看到，R、G、B三個值同時等於Y，也就是RGB三值相等。瞭解RGB相加混色我們知道，這個時候產生的是黑白灰，也即之前的黑白電視。
而式中的U和V，則分別是B和R與亮度之差，再乘以係數得來，但是我們還是稱之爲色差，YCbCr中的b和r，就分別代表了是B和R與Y的色差。而Cb和Cr，也就相當於U和V。
那麼接下來，我們就來看看YCbCr在電視系統中的應用。
電視系統中顏色空間的轉換
這張圖，就是電視系統中使用的顏色空間的轉換。圖中的轉換分爲兩部分，上面從RGB到YCbCr的轉換，下面是YCbCr再轉換到RGB。之所以需要這兩個過程，是因爲RGB顏色空間產生的圖像信息太過龐大，轉換到YCbCr利於編碼，而之後又再轉回RGB，是因爲YCbCr圖像信息，從通信通道傳輸到接收端，也即電視機之後，顯示器顯示圖像信息需要RGB值來驅動。
在圖中可以看到，攝像設備拿到三色刺激，也即線性的XYZ或R1G1B1，經過一個3x3的矩陣M得到一個線性的RGB空間。這個過程可以理解爲類似下圖的轉換
然後使用非線性函數對每個顏色分量進行變換，也即r矯正（伽瑪校正）。圖中的0.5代表攝像機的r值，2.5代表普通CRT的r值。這個值每個設備通常不一樣，比如NTSC裏的r指定爲2.2，PAL裏的r指定爲2.8，雖然CRT的r值實際上是2.35。
經過伽瑪校正後，線性的RGB也就變成了非線性的R’G’B’信號，同樣帶撇表示非線性。然後再用一個3x3的色差編碼矩陣M得到非線性的色差分量，產生Y’CbCr，可以理解爲是進行了如下變換
然後就在這個基礎上，把Y‘CbCr經過子採樣濾波器進行採樣，得到經過子採樣的色差分量，也即我們通常說的4：2：2、4：2：0子採樣格式。關於子採樣，我們下篇會詳細講。
這樣一來，我們就完成了顏色空間的轉換，不考慮編碼壓縮的情況下，就可以把變換後的顏色分量，通過通信通道傳輸到接收端，或者是存儲起來。那麼在接收端，或者是要顯示圖像的時候，按照從右到左的方向進行變換，拿到RGB三色刺激值，交給顯示器就可以了。
聯繫我們之前講的CIE XYZ、CIE xyY，下圖爲部分顏色空間的轉換關係
部分顏色空間的轉換關係
可以看到圖像編碼，只應用了顏色空間中少有的幾個顏色空間。而大部分的顏色空間，他們應用的場合都不一樣，通常如下表所示
顏色空間的類型
這張表，就相當於對顏色空間的一個總結了吧。
參考資料：
https://en.wikipedia.org/wiki/YUV
https://en.wikipedia.org/wiki/YCbCr