图像格式与视频数字化 && RAW摄像头预览颜色

      常用的平面图像两种格式是位图和矢量图。矢量图又叫向量图，是用一系列计算机指令来描述和记录一幅图，一幅图可以解释为一系列由点、线、面等组成的子图，它所记录的是对象的几何形状、线条粗细和色彩等。矢量图只能表示有规律的线条组成的图形，如工程图、三维造型或艺术字等；对于由无规律的像素点组成的图像（风景、人物、山水），难以用数学形式表达，不宜使用矢量图格式。
      位图又叫点阵图或像素图，计算机屏幕上的图是由屏幕上的发光点（即像素）构成的，每个点用二进制数据来描述其颜色与亮度等信息，这些点是离散的，类似于点阵。多个像素的色彩组合就形成了图像，称之为位图。 位图在放大到一定限度时会发现它是由一个个小方格组成的，这些小方格被称为像素点，一个像素是图像中最小的图像元素。在处理位图图像时，所编辑的是像素而不是对象或形状，它的大小和质量取决于图像中的像素点的多少，每平方英寸中所含像素越多，图像越清晰，颜色之间的混和也越平滑。

      而视频是由连续的图像组成的，原始电视是黑白图像。为了保持彩色电视机对黑白电视的兼容性，彩色信号在黑白电视机中必须也能播放黑白图像，而之前电视射频频带的一个个连续的频道已经占满资源，后来采用在亮度信号（实际上还有调频的伴音信号）上采用压缩亮度信号带宽，大面积着色等技术解决了这个问题。

      图像数字化的结果有两种：RGB 16/18/24-bit format 和 YCbCr 4:2:0/4:2:2 format。RGB的是三基色都用数字信号表示，16位的是RGB565，18位的是RGB666，24位的是RGB888；YCbCr信号对应的亮度，U色差，V色差的采样率之比。RGB和YCbCr的转化公式如下面列出。

                         

      对于很多系统中使用的RGB三基色彩色空间，用在彩色还原图像并不是很好。原因有一：与黑白图像不兼容，灰度＝R*0.3+G*0.59+B*0.11，这个过程比较复杂，而且黑白电视不具备解码器，所以彩色信号不可能在黑白电视上显示黑白图像；二是RGB占用同等的带宽，资源不够；三是由于G占亮度值的59％，这使得亮度会受到绿色度的很大影响作用。所以基于以上原因，在视频信号中采用的是YUV空间，Y代表亮度，U代表蓝色色差（蓝色信号与亮度的差值），V代表红色色差。它的优点表现在：一是与黑白图像兼容，忽略UV分量，直接取出Y分量，即把彩色图像转成黑白图像。二是节省带宽。三是由于亮度信号是单独表示的，所以就算色差信号收到干扰，不会影响到亮度。整个过程就是接收到的彩色视频信号首先分解成亮度信号Y和色度信号，色度信号再分解为U色差信号和V色差信号(CCIR656或者CCIR601)。

      CCIR601标准规定，PAL视频信号解码成YUV分量后，分别进行A/D采样量化，转换为数字视频流。亮度信号的采样频率是13.5MHZ，色度信号的采样频率是6.75MHZ，采用8位PCM编码。这样，每行的Y采样数为864（13.5M/15.625K=864）个，其中有效的采样数是720个；每行的U或V采样数是432（6.75M/15.625K=432）个，其中有效的U或V采样数为360个。平均每个象素的YUV位数分别是8BIT,4BIT,4BIT,所以又叫YUV422编码方案。计算下数字视频的数据量＝（水平720象素×竖直576行×25帧）×2字节＝165Mbps，数据量相当大。YUV与RGB相互转换的公式如下（RGB取值范围均为0-255）：
　　Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
　　U = -0.147R - 0.289G + 0.436B
　　V = 0.615R - 0.515G - 0.100B
　　R = Y + 1.14V
　　G = Y - 0.39U - 0.58V
　　B = Y + 2.03U

                       

      细分起来，YUV主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。其中YCbCr 4:1:1 比较常用，其含义为：每个点保存一个 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 个点保存一个 Cr 和Cb 值，图像在肉眼中的感觉不会起太大的变化。所以， 原来用RGB888(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型，4个点需要 4x3=12 bytes。而现在4个点仅需要4+1+1=6bytes，平均每个点占12bites。这样就把图像的数据压缩了一半。下面给出几种具体的存储形式：

（1） YUV 4:4:4：YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整（每个分量通常8比特），经过8比特量化之后，未经压缩的每个像素占用3个字节。下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
　　存放的码流为: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

（2） YUV 4:2:2：每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说，4个像素要占用4+2+2=8，平均每个像素占2个字节。下面的四个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] ，存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3，映射出像素点为：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

（3） YUV 4:1:1：是在水平方向上对色度进行4:1:1抽样。对于低端用户和消费类产品这仍然是可以接受的。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由4个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存，平均每个像素6/4字节。下面的四个像素为: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]，存放的码流为: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3，映射出像素点为：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

     以上三种单位像素占的字节数，便于记忆是：（4+4+4）/4=3，（4+2+2）/4=2，（4+1+1）/4=1.5字节。

     YUV的另一种特性是数据传送顺序的差别，所以YUV422会有：YCBYCR，YCRYCB，CBYCRY，CRYCBY。

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         RAW摄像头预览颜色不对，可从下面着手实验。

            

         如上图所示，sensor的感光面可以感知R /G /B 3种color，对应的color format 第一行为R   Gr   R   Gr ......；第二行为Gb  B   Gb  B  ......。可以发现，同一行，第N 及N+2 是相同的color format；同一列，第N 及N+2 是相同的color format。所以，相邻的四个piexl position，(N,N),(N,N+1),(N+1,N),(N+1,N+1)涵盖了R,Gr,Gb,B 4种corlor format，也就是说，在相邻的4个pixel，总是可以找到某个color format。
         所以在固定起始pixel的条件下，通过修改程序中设定的颜色格式，总会有一种是正常的颜色。假设当前是SENSOR_OUTPUT_FORMAT_RAW_B，可以试下其他的三种：SENSOR_OUTPUT_FORMAT_RAW_Gb、SENSOR_OUTPUT_FORMAT_RAW_Gr、SENSOR_OUTPUT_FORMAT_RAW_R。