了解-RGB和YUV

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编码

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:⾊调饱和度

YUV编码

RGB表示图像类似,每个像素点都包含 Y、U、V分量。但是它的YUV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。
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。

为什么要使用YUV 颜色编码?

YUV 采样格式 — YUV4 : 4 : 4

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

YUV 4:4:4

例如:
原始图像素为:[Y0,U0,V0] ;[Y1,U1,V1] ;[Y2,U2,V2] ;[Y3,U3,V3];

那么按照YUV4:4:4采样的码流为: Y0,U0,V0,Y1,U1,V1,Y2,U2,V2,Y3,U3,V3

最后映射还原的像素点为:
[Y0,U0,V0] ;[Y1,U1,V1] ;[Y2,U2,V2] ;[Y3,U3,V3];

使⽤如上YUV4:4:4与使⽤图像RGB颜⾊模型图像⼤小是一样的. 并没有达到节省带宽的目的.

YUV 采样格式 — YUV4 : 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10Y分量,⽽只采样了5UV分量。

YUV4 : 2 : 2

例如:
原始图像像素为: [Y0,U0,V0] ;[Y1,U1,V1] ;[Y2,U2,V2] ;[Y3,U3,V3] ;

那么按照YUV4:4:4采样的码流为:
Y0,U0,Y1,V1,Y2,U2,Y3,V3

其中,每采样过一个像素点,都会采样其Y分量,⽽U、V分量量就会间隔一个采集一个。

最后映射还原的像素点为:
[Y0,U0,V0] ;[Y1,U1,V1] ;[Y2,U2,V2] ;[Y3,U3,V3];

⼀张1280 * 720⼤小的图⽚,在YUV 4:2:2采样时的⼤小为:
(1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.5 * 8 * 2)/ 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 — YUV4 : 2 : 0

YUV 4:2:0采样,并不是指只采样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分量量按
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

YUV 4:2:0

例如:
原始图像素为:
[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]、
[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7V7] 、[Y8 U8 V8]

那么按照YUV4:4:4采样的码流为:
Y0 , U0 , Y1 , Y2 , U2 , Y3 ,
Y5 , V5 , Y6 , Y7 , V7 , Y8

其中,每采样过一个像素点,都会采样其Y分量,⽽U、V分量就会间隔一行按照2 : 1进⾏采样。

最后映射还原的像素点为:
[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]、
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V5]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V7]

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:(1280 * 720 * 8 + 1280 * 720 * 0.25 * 8 * 2)/ 8 / 1024 / 1024 = 1.32 MB

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
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

RGBYUV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。

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

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