对YUV格式的详细分析

YUV数据格式的定义和采集方式

YUV数据格式定义

YUV分为三个分量，“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。与我们熟知的RGB类似，YUV也是一种颜色编码方法，主要用于电视系统以及模拟视频领域，它将亮度信息（Y）与色彩信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的，这样的设计很好地解决了彩色电视机与黑白电视的兼容问题。并且，YUV不像RGB那样要求三个独立的视频信号同时传输，所以用YUV方式传送占用极少的频宽。

YUV格式有两大类：Plane和Packed。
Plane：就是平面存储方式。先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V（当然也可以先存V再存U，视具体格式而定）。
Packed：就是打包存储方式。每个像素点的Y，U，V是连续交错存储的。

YUV数据的采集方式

YUV码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关，主流的采样方式有三种，YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0。

这里我想强调的是如何根据其采样格式来从码流中还原每个像素点的YUV值，因为只有正确地还原了每个像素点的YUV值，才能通过YUV与RGB的转换公式提取出每个像素点的RGB值，然后显示出来。

用三个图来直观地表示采集的方式吧，以黑点表示采样该像素点的Y分量，以空心圆圈表示采用该像素点的UV分量。

先记住下面这段话，以后提取每个像素的YUV分量会用到。

1. YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。
2. YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。 
3. YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

YUV数据存储方式

下面我用图的形式给出常见的YUV码流的存储方式，并在存储方式后面附有取样每个像素点的YUV数据的方法，其中，Cb、Cr的含义等同于U、V。

YUVY格式（属于YUV422）

YUYV为YUV422采样的存储格式中的一种，相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr分量，对于像素点Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00，其他的像素点的YUV取值依次类推。

UYVY格式（属于YUV422）

UYVY格式也是YUV422采样的存储格式中的一种，只不过与YUYV不同的是UV的排列顺序不一样而已，还原其每个像素点的YUV值的方法与上面一样。

YUV422P（属于YUV422）

YUV422P也属于YUV422的一种，它是一种Plane模式，即平面模式，并不是将YUV数据交错存储，而是先存放所有的Y分量，然后存储所有的U（Cb）分量，最后存储所有的V（Cr）分量，如上图所示。其每一个像素点的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法，即两个Y共用一个UV。比如，对于像素点Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00。

YV12，YU12格式（属于YUV420）

YU12和YV12属于YUV420格式，也是一种Plane模式，将Y、U、V分量分别打包，依次存储。其每一个像素点的YUV数据提取遵循YUV420格式的提取方式，即4个Y分量共用一组UV。注意，上图中，Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00，其他依次类推。

例如：YUV420 plane数据， 以720×488大小图象YUV420 plane为例，其存储格式是： 共大小为(720×480×3>>1)字节，分为三个部分:Y,U和V三个部分内部均是行优先存储，三个部分之间是Y,U,V 顺序存储。即YUV数据的（0~720×480）字节是Y分量值，（720×480～720×480×5/4）字节是U分量，（720×480×5/4～720×480×3/2）字节是V分量，具体如下所示。

Y分量：    (720×480)个字节  

U(Cb)分量：(720×480>>2)个字节

V(Cr)分量：(720×480>>2)个字节

NV12，NV21（属于YUV420）

NV12和NV21属于YUV420格式，是一种two-plane模式，即Y和UV分为两个Plane，但是UV（CbCr）为交错存储，而不是分为三个plane。其提取方式与上一种类似，即Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00。

YUV422，YUV420相互转换

最简单的方式

YUV4:2:2 ---> YUV4:2:0 ： Y不变，将U和V信号值在行(垂直方向)在进行一次隔行抽样。

YUV4:2:0 ---> YUV4:2:2  ：Y不变，将U和V信号值的每一行分别拷贝一份形成连续两行数据。

在YUV420中，一个像素点对应一个Y，一个4X4的小方块对应一个U和V。对于所有YUV420图像，它们的Y值排列是完全相同的，因为只有Y的图像就是灰度图像。

YUV420sp与YUV420p的数据格式它们的UV排列在原理上是完全不同的。YUV420p它是先把U存放完后，再存放V，也就是说UV它们是连续的。而YUV420sp它是UV、UV这样交替存放的(见下图)。 有了上面的理论，我就可以准确的计算出一个YUV420在内存中存放的大小：Y=width * hight，U = Y / 4，V = Y / 4，所以YUV420 数据在内存中的长度是 width * hight * 3 / 2，假设一个分辨率为8X4的YUV图像，它们的格式如下图：

YUV420SP旋转90度的算法

void rotateYUV420SP(byte src[], byte des[], int width, int height)
{
    
    int wh = width * height;
 
    int k = 0;
    for(int i=0; i

上面的转换成图的效果就是，把左图沿着左上和右下对角线旋转180度，得到的就是右图的效果：

YV12和I420的区别

一般来说，直接采集到的视频数据是RGB24的格式，RGB24一帧的大小size＝width×heigth×3 Byte，RGB32的size＝width×heigth×4 Byte，如果是I420（即YUV标准格式4:2:0）的数据量是 size＝width×heigth×1.5 Byte。在采集到RGB24数据后，需要对这个格式的数据进行第一次压缩。即将图像的颜色空间由RGB转为YUV。因为，X264在进行编码的时候需要标准的YUV（4:2:0）。但是这里需要注意的是，虽然YV12也是（4：2：0），但是YV12和I420的却是不同的，在存储空间上面有些区别。如下：

YV12 ： 亮度（行×列） ＋V（行×列/4) + U（行×列/4）

I420 ： 亮度（行×列） ＋ U（行×列/4) + V（行×列/4）

可以看出，YV12和I420基本上是一样的，就是UV的顺序不同。

继续我们的话题，经过第一次数据压缩后RGB24－>YUV（I420）。这样，数据量将减少一半。同样，如果是RGB24－>YUV（YV12），也是减少一半。但是，虽然都是一半，如果是YV12的话效果就有很大损失。然后，经过X264编码后，数据量将大大减少。将编码后的数据打包，通过RTP实时传送。到达目的地后，将数据取出，进行解码。完成解码后，数据仍然是YUV格式的，所以，还需要一次转换，这样windows的驱动才可以处理，就是YUV转为RGB24。

YUY2  是 4:2:2  [Y0 U0 Y1 V0]

yuv420p 和 YUV420的区别， 在存储格式上有区别，如下所示：

yuv420p：yyyyyyyy uuuuuuuu vvvvv yuv420： yuv yuv yuv

可以理解为yuv420p是plane方式存储，yuv420是packed方式存储。

YUV420P，Y，U，V三个分量都是平面格式，分为I420和YV12。I420格式和YV12格式的不同处在U平面和V平面的位置不同。在I420格式中，U平面紧跟在Y平面之后，然后才是V平面（即：YUV）；但YV12则是相反（即：YVU）。

YUV420SP, Y分量平面格式，UV打包格式, 即NV12。 NV12与NV21类似，U 和 V 交错排列,不同在于UV顺序。
I420: YYYYYYYY UU VV    =>YUV420P
YV12: YYYYYYYY VV UU    =>YUV420P
NV12: YYYYYYYY UVUV     =>YUV420SP
NV21: YYYYYYYY VUVU     =>YUV420SP

YUV格式标准详解

详见http://www.fourcc.org/yuv.php，此处讲解了Packed和Plane两种方式存储的几乎所有格式。

 

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本文内容大部分来自 http://www.cnblogs.com/azraelly/archive/2013/01/01/2841269.html，对原文作了很多修改，并加入了自己的理解，将示例代码改为了C++。

不是完全原创。