图文详解 YUV420 数据格式

YUV 格式有两大类:planar 和 packed。
  • 对于 planar 的 YUV 格式,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。
  • 对于 packed 的 YUV 格式,每个像素点的 Y, U, V 是连续交*存储的。

YUV,分为三个分量,“Y” 表示明亮度(Luminance 或 Luma),也就是 灰度值;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

与我们熟知的 RGB 类似,YUV 也是一种颜色编码方法,主要用于电视系统以及模拟视频领域,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,只不过是黑白的,这样的设计很好地解决了彩色电视机与黑白电视的兼容问题。并且,YUV 不像 RGB 那样要求三个独立的视频信号同时传输,所以 用 YUV 方式传送占用极少的频宽

YUV 码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关,主流的采样方式有三种,YUV4:4:4,YUV4:2:2,YUV4:2:0,关于其详细原理,可以通过网上其它文章了解,这里我想强调的是 如何根据其采样格式来从码流中还原每个像素点的 YUV 值,因为只有正确地还原了每个像素点的 YUV 值,才能通过 YUV 与 RGB 的转换公式提取出每个像素点的 RGB 值,然后显示出来。

用三个图来直观地表示采集的方式吧,以黑点表示采样该像素点的 Y 分量,以空心圆圈表示采用该像素点的 UV 分量

图文详解 YUV420 数据格式_第1张图片

先记住下面这段话,以后提取每个像素的 YUV 分量会用到。

  • 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。

存储方式

下面我用图的形式给出常见的 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。

(1) YUVY 格式 (属于 YUV422)

图文详解 YUV420 数据格式_第2张图片

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。 

(2) UYVY 格式 (属于 YUV422)

图文详解 YUV420 数据格式_第3张图片

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。

3) YUV422P(属于 YUV422)

YUV422P 也属于 YUV422 的一种,它是一种 Plane 模式,即平面模式,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。

(4)YV12,YU12 格式(属于 YUV420)

YU12 和 YV12 属于 YUV420 格式,也是一种 Plane 模式,将 Y、U、V 分量分别打包,依次存储。其每一个像素点的 YUV 数据提取遵循 YUV420 格式的提取方式,即 4 个 Y 分量共用一组 UV。注意,上图中,Y'00、Y'01、Y'10、Y'11 共用 Cr00、Cb00,其他依次类推。

(5)NV12、NV21(属于 YUV420)

NV12 和 NV21 属于 YUV420 格式,是一种 two-planar 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

YUV420 planar 数据, 以 720×488 大小图象 YUV420 planar 为例,

  • 其存储格式是: 共大小为(720×480×3>>1) 字节,
  • 分为三个部分: Y, U 和 V
  • Y 分量:    (720×480) 个字节  
  • U(Cb) 分量:(720×480>>2) 个字节
  • V(Cr) 分量:(720×480>>2) 个字节

三个部分内部均是行优先存储,三个部分之间是 Y, U, V 顺序存储。

  • 即YUV数据的0--720×480字节是Y分量值,  
  • 720×480--720×480×5/4字节是U分量    
  • 720×480×5/4 --720×480×3/2字节是V分量。

4 :2:2 和4:2:0 转换:

最简单的方式:

YUV4:2:2 ---> YUV4:2:0  Y 不变,将 U 和 V 信号值在行(垂直方向)在进行一次隔行抽样。 YUV4:2:0 ---> YUV4:2:2  Y 不变,将 U 和 V 信号值的每一行分别拷贝一份形成连续两行数据。

在 YUV420 中,一个像素点对应一个 Y,一个 4X4 的小方块对应一个 U 和 V。对于所有 YUV420 图像,它们的 Y 值排列是完全相同的,因为只有 Y 的图像就是灰度图像。YUV420sp 与 YUV420p 的数据格式它们的 UV 排列在原理上是完全不同的。420p 它是先把 U 存放完后,再存放 V,也就是说 UV 它们是连续的。而 420sp 它是 UV、UV这样交替存放的。(见下图) 有了上面的理论,我就可以准确的计算出一个 YUV420 在内存中存放的大小:

 width * hight = Y(总和) U = Y / 4   V = Y / 4

所以 YUV420 数据在内存中的长度是 width * hight * 3 / 2,

假设一个分辨率为 8X4 的 YUV 图像,它们的格式如下图:

YUV420sp 格式如下图           
图文详解 YUV420 数据格式_第4张图片      

 YUV420p 数据格式如下图

图文详解 YUV420 数据格式_第5张图片

旋转 90 度的算法:


public static void rotateYUV240SP(byte[] src, byte[] des, int width, int height)
{
    
  int wh = width * height;
  //旋转Y
  int k = 0;
  for(int i = 0; i < width; i++) {
   for(int j = 0; j < height; j++) 
   {
      des[k] = src[width*j + i];   
      k++;
   }
  }
  
  for(int i = 0; i < width; i+ = 2) {
   for(int j = 0; j < height/2; j++) 
   { 
      des[k] = src[wh+ width*j + i]; 
      des[k+1]=src[wh + width*j + i+1];
      k+ = 2;
   }
  }
  
 }




YV12和I420的区别        

一般来说,直接采集到的视频数据是 RGB24 的格式,RGB24 一帧的大小 size=width×heigth×3 Bit,RGB32 的 size=width×heigth×4,如果是 I420(即 YUV 标准格式 4:2:0)的数据量是 size=width×heigth×1.5 Bit。       

在采集到 RGB24 数据后,需要对这个格式的数据进行第一次压缩。即将图像的颜色空间由 RGB2YUV。因为,X264在进行编码的时候需要标准的 YUV(4:2:0)。但是这里需要注意的是,虽然 YV12 也是(4:2:0),但是 YV12 和 I420 的却是不同的,在存储空间上面有些区别。如下: 

YV12 : 亮度(行×列) + U(行×列/4) + V(行×列/4)
I420 : 亮度(行×列) + V(行×列/4) + U(行×列/4)

可以看出,YV12 和 I420 基本上是一样的,就是 UV 的顺序不同。

继续我们的话题,经过第一次数据压缩后 RGB24->YUV(I420)。这样,数据量将减少一半,为什么呢?呵呵,这个就太基础了,我就不多写了。同样,如果是 RGB24->YUV(YV12),也是减少一半。但是,虽然都是一半,如果是 YV12 的话效果就有很大损失。然后,经过 X264 编码后,数据量将大大减少。将编码后的数据打包,通过 RTP 实时传送。到达目的地后,将数据取出,进行解码。完成解码后,数据仍然是 YUV 格式的,所以,还需要一次转换,这样 windows 的驱动才可以处理,就是 YUV2RGB24。

YUY2  是 4:2:2  [Y0 U0 Y1 V0]

yuv420p 和 YUV420的区别 

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

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