YUV

顏色編碼方法

YUV,是一種顏色編碼方法。常使用在各個影像處理元件中。 YUV在對照片或影片編碼時,考慮到人類的感知能力,允許降低色度的頻寬。

U-V color plane範例,Y value = 0.5,代表RGB色域(color gamut)

YUV是編譯true-color顏色空間(color space)的種類,Y'UV, YUV, YCbCrYPbPr等專有名詞都可以稱為YUV,彼此有重疊。「Y」表示明亮度(Luminance、Luma),「U」和「V」則是色度濃度(Chrominance、Chroma),

Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr所指涉的範圍,常有混淆或重疊的情況。從歷史的演變來說,其中YUV和Y'UV通常用來編碼電視的類比訊號,而YCbCr則是用來描述數位的影像訊號,適合影片與圖片壓縮以及傳輸,例如MPEG、JPEG。 但在現今,YUV通常已經在電腦系統上廣泛使用。

Y'代表明亮度(luma; brightness)而U與V儲存色度(色訊; chrominance; color)部分; 亮度(luminance)記作Y,而Y'的prime符號記作伽瑪校正。

YUV Formats分成兩個格式:

  • 緊縮格式(packed formats):將Y、U、V值儲存成Macro Pixels陣列,和RGB的存放方式類似。
  • 平面格式(planar formats):將Y、U、V的三個分量分別存放在不同的矩陣中。

緊縮格式(packed format)中的YUV是混合在一起的,對於YUV4:2:2格式而言,用緊縮格式很合適的,因此就有了UYVY、YUYV等。平面格式(planar formats)是指每Y份量,U份量和V份量都是以獨立的平面組織的,也就是說所有的U份量必須在Y分量後面,而V份量在所有的U份量後面,此一格式適用於採樣(subsample)。平面格式(planar format)有I420(4:2:0)、YV12、IYUV等。

歷史

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圖像中的Y', U,和V組成

Y'UV的發明是由於彩色電視黑白電視的過渡時期[1]。黑白視訊只有Y(Luma,Luminance)視訊,也就是灰階值。到了彩色電視規格的制定,是以YUV/YIQ的格式來處理彩色電視圖像,把UV視作表示彩度的C(Chrominance或Chroma),如果忽略C訊號,那麼剩下的Y(Luma)訊號就跟之前的黑白電視訊號相同,這樣一來便解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題。Y'UV最大的優點在於只需佔用極少的頻寬。

因為UV分別代表不同顏色訊號,所以直接使用R與B訊號表示色度的UV。 也就是說UV訊號告訴了電視要偏移某象素的顏色,而不改變其亮度。 或者UV訊號告訴了顯示器使得某個顏色亮度依某個基準偏移。 UV的值越高,代表該像素會有更飽和的顏色。

彩色圖像記錄的格式,常見的有RGB、YUV、CMYK等。彩色電視最早的構想是使用RGB三原色來同時傳輸。這種設計方式是原來黑白頻寬的3倍,在當時並不是很好的設計。RGB訴求於人眼對色彩的感應,YUV則著重於視覺對於亮度的敏感程度,Y代表的是亮度,UV代表的是彩度(因此黑白電影可省略UV,相近於RGB),分別用Cr和Cb來表示,因此YUV的記錄通常以Y:UV的格式呈現。

常用的YUV格式

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為節省頻寬起見,大多數YUV格式平均使用的每像素位數都少於24位元。主要的抽样(subsample)格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和YCbCr 4:4:4。YUV的表示法稱為A:B:C表示法:

  • 4:4:4表示完全取樣。
  • 4:2:2表示2:1的水平取樣,垂直完全採樣。
  • 4:2:0表示2:1的水平取樣,垂直2:1採樣。
  • 4:1:1表示4:1的水平取樣,垂直完全採樣。

最常用Y:UV記錄的比重通常1:1或2:1,DVD-Video是以YUV 4:2:0的方式記錄,也就是我們俗稱的I420,YUV4:2:0並不是說只有U(即Cb), V(即Cr)一定為0,而是指U:V互相援引,時見時隱,也就是說對於每一個行,只有U或者V份量,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。至於其他常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。

YUY2及常见表示方法

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YUY2(和YUYV)格式為像素保留Y,而UV在水平空間上相隔二個像素採樣一次(Y0 U0 Y1 V0),(Y2 U2 Y3 V2)…其中,(Y0 U0 Y1 V0)就是一个macro-pixel(宏像素),它表示了2个像素,(Y2 U2 Y3 V2)是另外的2个像素。 以此类推,再如:Y41P(和Y411)格式为每个像素保留Y分量,而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。一个宏像素为12个字节,实际表示8个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下:(U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7)…

YVYU UYVY

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YVYU, UYVY格式跟YUY2類似,只是排列順序有所不同。Y211格式是Y每2個像素採樣一次,而UV每4個像素採樣一次。AYUV格式則有一Alpha通道。

YV12格式與IYUV類似,每個像素都提取Y,在UV提取時,將圖像2 x 2的矩陣,每個矩阵提取一個U和一個V。YV12格式和I420格式的不同處在V平面和U平面的位置不同。在YV12格式中,V平面緊跟在Y平面之後,然後才是U平面(即:YVU);但I420則是相反(即:YUV)。NV12與YV12類似,效果一樣,YV12中U和V是連續排列的,而在NV12中,U和V就交錯排列的。

排列举例: 2*2图像YYYYVU; 4*4图像YYYYYYYYYYYYYYYYVVVVUUUU

轉換

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YUV與RGB的轉換公式:

U和V元件可以被表示成原始的R,G,和B(R,G,B为γ预校正后的):

 

如一般順序,轉移元件的範圍可得到:

 

在逆轉關係上,從YUV到RGB,可得

 

取而代之,以矩陣表示法(matrix representation),可得到公式:

 

 

YUV轉RGB

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function RGB* YUV444toRGB888(Y, U, V);將YUV format移轉成簡單的RGB format並可以用浮點運算實作:

Y'UV444

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大多數YUV格式平均使用的每像素位數都少於24位元。YUV444是最逼真的格式,一格不刪(24 bits),即每4個Y,配上4個U,還有4個V;YUV422則是在UV格式上減半,即每4個Y,配2個U,2個V;YUV420則是在UV上減至1/4之格式,即每4個Y,配1個U,再配1個V。

這些公式是基於NTSC standard;

 
 
 

在早期的非SIMD(non-SIMD)構造中,floating point arithmetic會比fixed-point arithmetic稍慢,所以有一替代公式如下:

 
 
 

使用前面的係數並且用clip()註明切割的值域是0至255,如下的公式是從Y'UV到RGB (NTSC version):

 
 
 

注意:上述的公式多暗示為YCbCr. 雖然稱為YUV,但應該嚴格區分YUV和YCbCr這兩個專有名詞有時並非完全相同。

ITU-R版本的公式差異:

 
 
 
 
 
 

ITU-R標準YCbCr(每一通道8位元)至RGB888:

Cr = Cr - 128; Cb = Cb - 128;

 
 
 

Y'UV422

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Input:讀取Y'UV的4bytes(u, y1, v, y2)
Output:寫入RGB的6bytes(R, G, B, R, G, B)
u = yuv[0];
y1 = yuv[1];
v = yuv[2];
y2 = yuv[3];


以此一資訊可以剖析出regular Y'UV444格式而成為2 RGB pixels info:

rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);
rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v);

Y'UV422可被表達成Y'UY'2 FourCC格式碼。意思是2 pixels將被定義成each macropixel (four bytes) treated in the image.  

Y'UV411

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// Extract YUV components
u = yuv[0];
y1 = yuv[1];
y2 = yuv[2];
v = yuv[3];
y3 = yuv[4];
y4 = yuv[5];
rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);
rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v);
rgb3 = Y'UV444toRGB888(y3, u, v);
rgb4 = Y'UV444toRGB888(y4, u, v);

所以結果會得到4 RGB像素的值 (4*3 bytes) from 6 bytes. This means reducing size of transferred data to half and with quite good loss of quality.

The Y'V12的格式相當類似Y'UV420p,但U與V資料反轉:Y'跟隨著V, U殿後。Y'UV420p與Y'V12使用相同演算法。許多重要的編碼器都採用YV12空間存儲視頻:MPEG-4(x264XviDDivX),DVD-Video存儲格式MPEG-2,MPEG-1以及MJPEG。

將Y'UV420p轉換成RGB

Height = 16;
Width = 16;
Y'ArraySize = Height × Width;    //(256)
Y' = Array[7 × Width + 5];
U = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize];
V = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize + Y'ArraySize/4];
RGB = Y'UV444toRGB888(Y', U, V);

註釋

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  1. ^ Maller, Joe. RGB and YUV Color 互联网档案馆存檔,存档日期2008-02-24., FXScript Reference

參見

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外部連結

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