音视频编解码——YUV视频格式详解

一、YUV 介绍

YUV是一种颜色编码方方式，通常由彩色摄像机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经过分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换得到亮度信号Y和两个色差信号B-Y（即U）、R-Y（即V），最后将亮度和色差三个信号分别编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV色彩空间的重要性就是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。

YUV 的优点

YUV主要用于优化彩色视频信号的传输。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。

其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；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。“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。“色度”则定义了颜色的两个方面─色调与饱和度，分别用Cr和Cb来表示。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

YUV采样

YUV的优点之一是色度通道可以具有比Y通道更低的采样率而不会显着降低感知质量。称为A：B：C符号的符号用于描述U和V相对于Y的采样频率：

• 4：4：4 表示没有对色度通道进行缩减采样。
• 4：2：2 意味着2：1的水平缩减采样，没有垂直下采样。每扫描一行，每两个U或V采样包含四个Y采样。
• 4：2：0 表示2：1水平缩减采样，2：1垂直缩减采样。
• 4：1：1 表示4：1水平缩减采样，没有垂直下采样。每个扫描线对于每个U或V采样包含四个Y采样。4：1：1采样比其他格式少见。

换句话说来说，可以理解为：

• 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。

下面三个图分别是各自的采集方式：

YUV存储

下面的图给出了常见的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，分析，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，即打包模式，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）

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

yuv420p 和 YUV420的区别

二者在存储格式上有区别：
yuv420p：yyyyyyyy uuuuuuuu vvvvv
yuv420： yuv yuv yuv
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

二、 YUV格式与RGB格式的换算

关于YUV与RGB转换相关的介绍，可以参见 http://www.fourcc.org/fccyvrgb.php。 下面是转换的时候的标准公式：

RGB 转换成 YUV

Y = (0.257 * R) + (0.504 * G) + (0.098 * B) + 16
Cr = V = (0.439 * R) - (0.368 * G) - (0.071 * B) + 128
Cb = U = -( 0.148 * R) - (0.291 * G) + (0.439 * B) + 128

YUV 转换成 RGB

B = 1.164(Y - 16) + 2.018(U - 128)
G = 1.164(Y - 16) - 0.813(V - 128) - 0.391(U - 128)
R = 1.164(Y - 16) + 1.596(V - 128)

取值范围

RGB取值范围均为0~255,Y=0~255,U=-122~+122,V=-157~+157

简化后的换算公式

RGB转YUV

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U'= (BY)*0.565
V'= (RY)*0.713

YUV转RGB

R = Y + 1.403V'
G = Y - 0.344U' - 0.714V'
B = Y + 1.770U'

三、总结

现在大家应该对几种常见的YUV码流格式就简单地列在上面了，大家在处理YUV码流前，先了解清楚自己的码流到底属于哪一种，然后对应进行处理。
最后，再回答一个疑问，即分析清楚YUV码流格式了，我们可以做什么？最常用的一点就是，提取出所有的Y分量，然后利用vc或者matlab把你采集的图像的灰度（Y分量）显示处理，这样你就可以很快地知道你采集的图像是否有问题了。

四、参考文档

1. https://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa904813(VS.80).aspx
2. https://baike.baidu.com/item/YUV/3430784?fr=aladdin
3. https://blog.csdn.net/yangyasong/article/details/80681135