YUV图像格式学习与灰度处理

YUV图像格式学习与灰度处理

前言

• 刚入职不久，导师要我完成一个任务，就是将将彩色YUV图像数据处理成黑白色，由于对YUV并不了解，所以才有了下面的学习。

YUV概述

• YUV与RGB一样，都是像素数据的编码格式，一组YUV渲染屏幕上的一个像素，控制屏幕用色彩的形式将事物表现出来，其中Y表示像素中的亮度，U表示色度，V表示浓度或饱和度。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，只不过是黑白色。这是一种压缩后的颜色表示方法，占用更少的物理空间，且对颜色的表现失真不明显，所以现在YUV格式非常常用。

YUV存储方式

• YUV有两种存储方式：planar、packed。
  • planar：从字面意思上来看，planar是平面的意思，对应到存储方式上就是把YUV三种分量分别存储，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。这种在解析时很方便。
  • packed：从字面意思来看，packed是打包的意思，对应到存储方式上就是把YUV三种分量连续交叉存储，这种方式在解析时比较麻烦。

YUV的采样方式

• 采样方式即如何表现一个像素，现在主流的有三种采样方式，4:4:4、4:2:2、4:2:0，这三种比例是YUV三种分量的比例，前面提到一个像素应该包含一个Y、一个U、一个V，如果要完全存储，那一个像素点就要存储YUV三个分量，这种形式就是4:4:4。但是因为人的眼睛对色度和饱和度不是特别敏感，所以一定程度上丢失一部分UV并不影响我们分辨颜色，所以为了节省存储空间，在存储时就故意丢掉部分UV分量，用两个Y分量共用一组UV分量，这种形式就是4:2:2，或用四个Y分量共用一组UV，这种形式就是4:2:0。

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

  

   

 

• 在存储时YUV各占一个字节Byte，如果4:4:4方式，那一个256X256分辨率的图片要占用256×256×3=196608Byte，4:2:2方式要占用256×256×2=131072Byte，4:2:0方式要占用256×256×2/3=43690.7Byte，可以看到采用4:2:0方式存储空间整整减少了一半。

• 以YUV420为例说明：

图像像素数据：[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]

             [Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]

采样的码流：  Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3

             Y5 V5 Y6 Y7 U7 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]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V7]

 

YUV常用格式

YU12/I420，YV12格式（属于YUV420）（planar方式存储，简称420p）

• YU12：先把全部的Y分量存完，再存U分量，最后存V分量。

 

• YV12：先把全部的Y分量存完，再存V分量，最后存U分量，对应到上图把第五行和第六行位置互换一下就是了。

NV12，NV21 (属于YUV420) (planar和packed混合存储，简称420sp)

• NV12：该格式是先存储全部的Y分量，然后UV分量交叉存储。
• 

 

• NV21：该格式与NV12唯一的区别只是UV分量交叉的顺序不同，NV12是U排前面，NV21是V排前面。
• 

```java
I420: YYYYYYYY UU VV =>YUV420P
YV12: YYYYYYYY VV UU =>YUV420P
NV12: YYYYYYYY UVUV =>YUV420SP
NV21: YYYYYYYY VUVU =>YUV420SP //安卓Camera默认格式
```

YUV422P（属于YUV422）（planar方式存储）

• 该格式存储方式与YU12是一样的，唯一的区别是UV分量的数量不同，YU12中四个Y共用一组UV，而该格式中两个Y共用一组UV。
• 

YUYV/YUY2, YVYU，UYVY（属于YUV422）（packed方式存储）

• YUYU/YUY2：每两个Y分量共用一组UV分量，存储顺序是YUYV。
• 
• YVYU：该格式与YUYV相似，只是存储时UV分量顺序不同而已。
• UYVY：与上面两种方式并无大的不同。
• 

YUV图像处理

• 这是使用YUV格式主要是NV12和NV21。

灰度处理

• 如果要把YUV格式像素变成灰度图像，只需要将U、V分别设置为128即可。因为U、V是图像经过偏置处理的色度分量，色度分量在偏置处理前的取值范围为-128至127，此时的无色对应的"0"值，经过偏置后色度分量取值变成了0至255，这时候无色对应的值就是128。

//读取YUV文件(格式是NV12或NV21)
bool read_yuv_one(const string path_in,const string path_out) {
    //读取YUV文件
    FILE *in, *out;
    in = fopen(path_in.c_str(), "rb");
    out = fopen(path_out.c_str(), "rb");

    //获取YUV文件的大小
    fseek(in, 0L, SEEK_END);
    int len = ftell(in);
    fseek(in, 0L, SEEK_SET);

    //创建缓存YUV文件的Buffer
    char* buff = new char[len];
    //读取YUV文件到Buffer
    fread(buff, sizeof(char), len, in);
    memset(buff + len * 2 / 3, 128, len / 3);
    fwrite(buff, sizeof(char), len, out);
    fclose(in);
    fclose(out);

    return true;
}

 

亮度减半

• 只需要将YUV数据中的亮度分量Y的数值减半的方法，降低图像的亮度。

Linux查看YUV图像文件的方法

• ffplay -f rawvideo -video_size 高x宽 图像名称.yuv

参考链接

https://www.cnblogs.com/daner1257/p/10767570.html

https://blog.csdn.net/qingkongyeyue/article/details/52801396

https://blog.csdn.net/leixiaohua1020/article/details/50534150