RGB和YUV颜色编码

RGB 颜色编码

在图像显示中，⼀张 1280 * 720 ⼤小的图⽚，就代表着它有 1280 * 720个像素点。其中每一个像素点的颜⾊显示都采⽤ RGB 编码⽅法，将 RGB 分别取不同的值，就会展示不同的颜色。
RGB 图像中，每个像素点都有红、绿、蓝三个原⾊，其中每种原色都占用 8 bit，也就是一个字节，那 么一个像素点也就占用 24 bit，也就是三个字节。

⼀张 1280 * 720 ⼤小的图片，就占⽤ 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存储空间。

YUV 颜⾊编码

YUV 颜色编码采用的是 明亮度 和 色度 来指定像素的颜色。其中，Y 表示明亮度 (Luminance、Luma)，而 U 和 V 表示色度(Chrominance、Chroma)。⽽色度又定义了颜色的两个⽅面：色调 和 饱和度。
和 RGB 表示图像类似，每个像素点都包含 Y、U、V 分量。但是它的 Y 和 UV 分量是可以分离的，如果没有 UV 分量一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的。

注意：对于 YUV 图像来说，并不是每个像素点都需要包含了 Y、U、V 三个分量，根据不同的采样格式，可以每个 Y分量都对应自己的 UV 分量，也可以几个 Y 分量共用 UV 分量。

• YUV采样格式一：YUV 4 : 4 : 4
YUV 4 : 4 : 4 采样，意味着 Y、U、V三个分量量的采样⽐例相同，因此在⽣成的图像里，每个像素的三个分量信息完整，都是 8 bit，也就是一个字节。

例如：
原始图像像素为: [Y0,U0,V0] 、[Y1,U1,V1] 、[Y2,U2,V2]
那么按照YUV 4 : 4 : 4采样的码流为: Y0,U0,V0,Y1,U1,V1,Y2,U2,V2
最后映射还原的像素点为:[Y0,U0,V0] 、[Y1,U1,V1] 、[Y2,U2,V2]

YUV 4 : 4 : 4

使⽤YUV 4 : 4 : 4采样格式 与 使用RGB 颜色格式⼤小是⼀样的。并没有达到节省带宽的⽬的。

• YUV采样格式二：YUV 4 : 2 : 2
YUV 4 : 2 : 2 采样，意味着 UV 分量是 Y 分量采样的⼀半，Y 分量和 UV 分量按照 2 : 1 的⽐例采样。
  如果水平⽅向有 10 个像素点，那么采样了 10 个 Y 分量，而只采样了5 个 UV 分量。

例如：
原始图像素为： [Y0,U0,V0] 、[Y1,U1,V1] 、[Y2,U2,V2] 、[Y3,U3,V3]
每采样一个像素点，都会采样其 Y 分量，⽽U、V 分量就会间隔一个采集一个。
所以，按照YUV 4 : 2 : 2 采样的码流为：Y0,U0,Y1,V1,Y2,U2,Y3,V3

最后映射还原的像素点为：[Y0,U0,V1] 、[Y1,U0,V1] 、[Y2,U2,V3] 、[Y3,U2,V3]

YUV 4 : 2 : 2

一张 1280 * 720 ⼤小的图⽚，在YUV 4 : 2 : 2 采样时的⼤小为:
Y = 1280 * 720 * 8
U = 1280 * 720 * 0.5 * 8
V = 1280 * 720 * 0.5 * 8
(Y + U + V ) / 8 / 1024 / 1024 = 1.76 MB。
可以看到 YUV 4 : 2 : 2 采样的图像比 RGB 模型图像节省了三分之一的存储空间，在传输时占用的带宽也会随之减少。

• YUV采样格式三：YUV 4 : 2 : 0
YUV 4 : 2 : 0 采样，并不是只采样 U 分量⽽不采样 V 分量。⽽是指，在每一行扫描时，只扫描一种色度分量(U 或者 V)，和 Y分量按
  照 2 : 1 的方式采样。⽐如，第一行扫描时，YU 按照 2 : 1 的⽅式采样，那么第⼆行扫描时，YV 分量按照 2 : 1 的⽅式采样。对于每个色
  度分量来说，它的水平方向和竖直方向的采样和 Y 分量相⽐都是 2:1 。假设第一行扫描了 U 分量，第⼆行扫描了 V 分量，那么需要扫
  描两行才能够组成完整的 UV 分量。

例如:
原始图像像素为:
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3] 忽略了V分量
[Y4 U4 V4]、[Y5 U5 V5]、 [Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 忽略了U分量

所以，按照YUV 4 : 2 : 0 采样的码流为：
Y0 , U0 , Y1 , Y2 , U2 , Y3
Y4 , V4 , Y5 , Y6 , V6 , Y7

最后映射还原的像素点为：
[Y0 U0 V4]、[Y1 U0 V4]、[Y2 U2 V6]、[Y3 U2 V6]
[Y4 U0 V4]、[Y5 U0 V4]、[Y6 U2 V6]、[Y7 U2 V6]

YUV 4 : 2 : 0

从映射出的像素点中可以看到，四个 Y 分量是共用了一套 UV 分量，⽽且是按照 2 * 2 的⼩方格的形式分布的，相比 YUV 4 : 2 : 2 采样中两个 Y 分量共用一套 UV 分量，这样更能够节省空间。
一张 1280 * 720 ⼤小的图⽚，在 YUV 4 : 2 : 0 采样时的⼤小为：
Y = 1280 * 720 * 8
U = 1280 * 720 * 0.25 * 8
V = 1280 * 720 * 0.25 * 8
(Y + U + V ) / 8 / 1024 / 1024 = 1.32 MB。
占用的存储空间相比YUV 4 : 2 : 2采样又减少了很多。

RGB — YUV 颜⾊编码转换

对于图像显示器来说，它是通过 RGB 模型来显示图像的，⽽在传输图像数据时⼜是使用 YUV 模型，这是因为 YUV 模
型可以节省带宽。因此就需要采集图像时将 RGB 模型转换到 YUV 模型，显示时再将 YUV 模型转换为 RGB 模型。

RGB 到 YUV 的转换，就是将图像所有像素点的 R、G、B分量转换到 Y、U、V 分量。

• RGB转为YUV

Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B
V = 0.615 * R - 0.515 * G - 0.100 * B

• YUV转为RGB

R = Y + 1.14 * V
G = Y - 0.39 * U - 0.58 * V
B = Y + 2.03 * U