【Android本地开发技术：媒体开发】YUV格式解析

作者：郭孝星
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YUV是被欧洲电视系统采用的一种颜色编码方法（PAL）,是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间，

一 YUV格式优点

(1) 频宽占用较小。

• Y：明亮度（Luma），灰阶值。亮度是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。
• U/V：色度（Chroma）描述影像色调及饱和度，用于指定像素的颜色。
• Cr：色调，反映了RGB红色部分和RGB亮度值之间的差异。
• Cb：饱和度，RGB输入信号的蓝色部分和RGB信号亮度值之间的差异。

(2) 亮度信号Y和色度信号U、V是分离，如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量，表示的是黑白灰度图像。这样的分离方式有两个好处。

• 兼容黑白灰度图像。
• 色度频道的采样率可比Y频道低，同时不会明显的影响视觉效果。

二 YUV采样格式

主要的采样格式有

• YCbCr 4:2:0
• YCbCr 4:2:2
• YCbCr 4:1:1
• YCbCr 4:4:4

其中YCbCr 4:1:1 比较常用，

其含义为：每个点保存一个 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 个点保存一个 Cr 和Cb 值,图像在肉眼中的感觉不会起太大的变化。所以，原来用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1个点需要 8x3=24 bits，（全采样后，YUV仍各占8bit）。按4:1:1采样后，而现在平均仅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4个点，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每个点占12bits(如下图第二个图)。这样就把图像的数据压缩了一半。

上边仅给出了理论上的示例，在实际数据存储中是有可能是不同的，下面给出几种具体的存储形式，该方法描述U、V和Y的采样频率比例，该方法称为ABC表示法。

2.1 YUV 4:4:4

YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整（每个分量通常8比特），经过8比特量化之后，未经压缩的每个像素占用3个字节。

下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

存放的码流为: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

采样网络如下所示，灯光样例用叉来表示，色度样例用圈来表示。

2.2 YUV 4:2:2

每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说，每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。

下面的四个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

映射出像素点为：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

采样网络如下所示。

2.3 YUV 4:1:1

4:1:1的色度抽样，是在水平方向上对色度进行4:1抽样。对于低端用户和消费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

存放的码流为: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

映射出像素点为：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

2.4 YUV4:2:0

4:2:0并不意味着只有Y，Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说，只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4:2:0的话，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0…以此类推。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1，所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

下面八个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8]

存放的码流为：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8

映射出的像素点为：[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7]

采样网络如下所示。

三 YUV格式

3.1 打包格式

打包格式（packed）是将YUV分量存放在同一个数组中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素。

3.1.1 YUY2

YUY2（和YUYV）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每两个像素采样一次。一个宏像素为4个字节，实际表示2个像素。（4:2:2的意思实际上是一个宏像素中有2个Y分量、1个U分量和1个V分量。）图像数据中YUV分量排列顺序如下：

Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …

在 YUY2 格式中，数据可被视为一个不带正负号的char值组成的数组，其中第一个字节包含第一个Y样例，第二个字节包含第一个U (Cb)样例，第三个字节包含第二个Y样例，第四个字节包含第一个V (Cr)样例。

如下图所示。

3.1.2 YVYU

YVYU格式跟YUY2类似，只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同：

Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …

3.1.3 UYVY

格式跟YUY2类似，只是图像数据中YUV分量的排列顺序有所不同：

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …

3.1.4 AYUV

AYUV格式带有一个Alpha通道，并且为每个像素都提取YUV分量，图像数据格式如下：
A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …
每个像素都被编码为4个连续字节，其组织顺序如下所示。

3.1.5 Y41P

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 Y8 …

3.1.6 Y211

Y211格式在水平方向上Y分量每2个像素采样一次，而UV分量每4个像素采样一次。一个宏像素为4个字节，实际表示4个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：

Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …

3.2 平面格式

平面格式（planar）是使用三个数组分开存放YUV三个信号分量，就像一个三维平面一样。

3.2.1 YVU9

YVU9格式为每个像素都提取Y分量，而在UV分量的提取时，首先将图像分成若干个4 x 4的宏块，然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。图像数据存储时，首先是整幅图像的Y分量数组，然后就跟着U分量数组，以及V分量数组。IF09格式与YVU9类似。

3.2.2 IYUV

IYUV格式为每个像素都提取Y分量，而在UV分量的提取时，首先将图像分成若干个2 x 2的宏块，然后每个宏块提取一个U分量和一个V分量。YV12格式与IYUV类似。

3.2.3 YUV411和YUV420

YUV411、YUV420格式多见于DV数据中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411为每个像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。
YUV420并非V分量采样为0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采样频率，在垂直方向上以U/V间隔的方式减小一半色差采样，如上图所示。
注：在介绍各种具体格式时，YUV各分量都会带有下标，如Y0、U0、V0表示第一个像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二个像素的YUV分量，以此类推。

四 转换方法

YUA与RGB的转换公式

U和V元件可以被表示成原始的R、G和B

用矩阵表示，可以得到如下公式