Android Camera2 YUV420_888 格式详解

Camera2 YUV420_888

官网文档介绍

Android PAI 对 YUV420_888的介绍 ，大致意思如下：

它是YCbCr的泛化格式，能够表示任何4:2:0的平面和半平面格式，每个分量用8 bits 表示。带有这种格式的图像使用3个独立的Buffer表示，每一个Buffer表示一个颜色平面(Plane)，除了Buffer外，它还提供rowStride、pixelStride来描述对应的Plane。

使用Image的getPlanes()获取plane数组:
Image.Plane[] planes = image.getPlanes();
它保证planes[0] 总是Y ，planes[1] 总是U(Cb)， planes[2]总是V(Cr)。并保证Y-Plane永远不会和U/V交叉（yPlane.getPixelStride()总是返回 1 ）。


U/V-Plane总是有相同的rowStride和 pixelStride()（即有：uPlane.getRowStride() == vPlane.getRowStride() 和 uPlane.getPixelStride() == vPlane.getPixelStride();）。

U/V的平（Planar）面和半平面（Semi-Planar）

U/V的Planar存储(YUV420P)

我测试几个设备没有找到存储格式是Planar的设备，这里使用参考2的例子简单说一下：

Log.i(TAG,"image format: " +image.getFormat());
// 从image里获取三个plane
Image.Plane[] planes = image.getPlanes();

for (int i = 0; i < planes.length; i++) {
   ByteBuffer iBuffer = planes[i].getBuffer();
   int iSize = iBuffer.remaining();
   Log.i(TAG, "pixelStride  " + planes[i].getPixelStride());
   Log.i(TAG, "rowStride   " + planes[i].getRowStride());
   Log.i(TAG, "width  " + image.getWidth());
   Log.i(TAG, "height  " + image.getHeight());
   Log.i(TAG, "Finished reading data from plane  " + i);
}

getPixelStride() 获取行内连续两个颜色值之间的距离(步长)。
getRowStride() 获取行间像素之间的距离。

输出如下：

image format: 35
pixelStride 1
rowStride 1920
width 1920
height 1080
buffer size 2073600
Finished reading data from plane 0
pixelStride 1
rowStride 960
width 1920
height 1080
buffer size 518400
Finished reading data from plane 1
pixelStride 1
rowStride 960
width 1920
height 1080
buffer size 518400
Finished reading data from plane 2

在ImageFormat中，YUV_420_888格式的数值是35，如上所示，可知当前Preview格式是YUV_420_888，根据image的分辨率是 1920 x 1080 ，像素点个数是2073600 。下面分别对plane[0]、plane[1]、plane[2]作分析。

• plane[0]表示Y，rowStride是1920 ，其pixelStride是1 ，说明Y存储时中间无间隔，每行1920个像素全是Y值，buffer size 是 plane[0]的1/4 ，buffer size / rowStride= 1080可知Y有1080行。

• plane[1]表示U，rowStride是960 ，其pixelStride也是1，说明连续的U之间没有间隔，每行只存储了960个数据，buffer size 是 plane[0]的1/4 ，buffer size / rowStride = 540 可知U有540行，对于U来说横纵都是1/2采样。

• pane[2]和plane[1]相同。、

此时，YUV三个量分离，每一块数据单独存储在独立的plane里。此时的YUV420叫做YUV420P或I420，以分辨率8 x 4 为例其存储结构：

U/V的Semi-Planar存储 (YUV420SP)

Nexus 6P和东东那部三星机都属于此类，采用相同的代码输出如下：

image format: 35
pixelStride 1
rowStride 1920
width 1920
height 1080
buffer size 2073600
Finished reading data from plane 0
pixelStride 2
rowStride 1920
width 1920
height 1080
buffer size 1036800
Finished reading data from plane 1
pixelStride 2
rowStride 1920
width 1920
height 1080
buffer size 1036800
Finished reading data from plane 2

image格式依然是YUV_420_888，分辨率是1920 x 1080 。

• plane[0] 是Y数据，从rowStride是1920和 pixelStride是1，可知每行1920个像素且Y数据之间无间隔，从buffer size / rowStride = 1080 Y数据有1080行。

• plane[1] 是U数据，rowStride 是1920， rowStride是2 ，说明每行1920个像素中每两个连续的U之间隔了一个像素，buffer中索引为：0 ， 2 ， 4， 6, 8 … 是U数据，即步长为2。

• 每行实际的U数据只占1/2 ，buffer size / rowStride = 540 只有540行，说明纵向采样也是1/2 ,但buffer size 是 plane[0]的 1/2而不是1/4， 连续的U之间到底存储了什么数据，才使得buffer size 变为plane[0]的1/2了？

• 同plane[1]。

通过如下方法分别打印Y、U、V三个buffer 到文件中（十六进制格式），来看一下plane[1]和plane[2]中存储数据的特点：

// Y-buffer
ByteBuffer yBuffer = planes[0].getBuffer();
int ySize = yBuffer.remaining();
byte[] yBytes = new byte[ySize];
yBuffer.get(yBytes);

// U-buffer
ByteBuffer uBuffer = planes[1].getBuffer();
int uSize = uBuffer.remaining();
byte[] uBytes = new byte[uSize];
uBuffer.get(uBytes);

// V-buffer
ByteBuffer vBuffer = planes[2].getBuffer();
int vSize = vBuffer.remaining();
byte[] vBytes = new byte[vSize];
vBuffer.get(vBytes);

String yFileName = "Y";
String uFileName = "U";
String vFileName = "V";

// 保存目录
File dir = new File(mRootDir + File.separator + "YUVV");

if (!dir.exists()) {
   dir.mkdir();
}

// 文件名
File yFile = new File(dir.getAbsolutePath() + File.separator + yFileName + ".yuv");
File uFile = new File(dir.getAbsolutePath() + File.separator + uFileName + ".yuv");
File vFile = new File(dir.getAbsolutePath() + File.separator + vFileName + ".yuv");


try {

  // 以字符方式书写
  Writer yW = new FileWriter(yFile);
  Writer uW = new FileWriter(uFile);
  Writer vW = new FileWriter(vFile);

  for (int i = 0; i < ySize; i++) {
     String preValue = Integer.toHexString(yBytes[i]); // 转为16进制
     // 因为byte[] 元素是一个字节，这里只取16进制的最后一个字节
     String lastValue = preValue.length() > 2 ? preValue.substring(preValue.length() - 2) : preValue;
     yW.write(" " + lastValue + " "); // 写入文件
     if ((i + 1) % 20 == 0) {  // 每行20个
        yW.write("\n");
      }
  }
  yW.close();


  for (int i = 0; i < uSize; i++) {
     String preValue = Integer.toHexString(uBytes[i]);
     String lastValue = preValue.length() > 2 ? preValue.substring(preValue.length() - 2) : preValue;
     uW.write(" " + lastValue + " ");
     if ((i + 1) % 20 == 0) {
          uW.write("\n");
     }
  }
  uW.close();


  for (int i = 0; i < vSize; i++) {
      String preValue = Integer.toHexString(vBytes[i]);
      String lastValue = preValue.length() > 2 ? preValue.substring(preValue.length() - 2) : preValue;
      vW.write(" " + lastValue + " ");
      if ((i + 1) % 20 == 0) {
         vW.write("\n");
       }
  }
  vW.close();

} catch (FileNotFoundException e) {
  e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
  e.printStackTrace();
}

打开U.yuv和V.yuv :

U.yuv文件 :

80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7c  80  7c  80  7c 
 ...

V.yuv文件:

7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7c  80  7c  80 
 ...

将V.yuv错开一位 ：

U :  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7c  80  7c  80  7c ...
V :      7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7b  80  7c  80  7c  80 ...

可以发现U和V错开一位后，对应位相等，实际上:

plane[1] : UVUVUVUVUVUVUVUV...
plane[2] : VUVUVUVUVUVUVUVU...

这就是为什么plane[1]和plane[2]的buffer size 是plane[0]的1/2而不是1/4的原因。

看8 x 4的NV12存储结构（NV21只是UV交错顺序相反）：

结论

1. plane[0] + plane[1] 可得NV12

2. plane[0] + plane[2] 可得NV21

参考3中获取I420和NV21的方法是：先从plane[0]中提取出Y数据，然后在plane[1]中提取U数据，最后在plane[2]中提取V数据。

两种方法通过Shader解码后都已得到正确的预览图像。