YUV

YUV，是一種顏色編碼方法。常使用在各個影像處理元件中。 YUV在對照片或影片編碼時，考慮到人類的感知能力，允許降低色度的頻寬。 YUV是編譯true-color顏色空間（color space）的種類，Y'UV, YUV, YCbCr，YPbPr等專有名詞都可以稱為YUV，彼此有重疊。「Y」表示明亮度（Luminance、Luma），「U」和「V」則是色度、濃度（Chrominance、Chroma）， Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr所指涉的範圍，常有混淆或重疊的情況。從歷史的演變來說，其中YUV和Y'UV通常用來編碼電視的類比訊號，而YCbCr則是用來描述數位的影像訊號，適合影片與圖片壓縮以及傳輸，例如MPEG、JPEG。 但在現今，YUV通常已經在電腦系統上廣泛使用。 Y'代表明亮度(luma; brightness)而U與V儲存色度(色訊; chrominance; color)部分; 亮度(luminance)記作Y，而Y'的prime符號記作伽瑪校正。 YUV Formats分成兩個格式： 緊縮格式（packed formats）：將Y、U、V值儲存成Macro Pixels陣列，和RGB的存放方式類似。 平面格式（planar formats）：將Y、U、V的三個分量分別存放在不同的矩陣中。 緊縮格式（packed format）中的YUV是混合在一起的，對於YUV4:2:2格式而言，用緊縮格式很合適的，因此就有了UYVY、YUYV等。平面格式（planar formats）是指每Y份量，U份量和V份量都是以獨立的平面組織的，也就是說所有的U份量必須在Y分量後面，而V份量在所有的U份量後面，此一格式適用於採樣（subsample）。平面格式（planar format）有I420（4:2:0）、YV12、IYUV等。 Y'UV的發明是由於彩色電視與黑白電視的過渡時期。黑白視訊只有Y（Luma，Luminance）視訊，也就是灰階值。到了彩色電視規格的制定，是以YUV/YIQ的格式來處理彩色電視圖像，把UV視作表示彩度的C（Chrominance或Chroma），如果忽略C訊號，那麼剩下的Y（Luma）訊號就跟之前的黑白電視訊號相同，這樣一來便解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題。Y'UV最大的優點在於只需佔用極少的頻寬。 因為UV分別代表不同顏色訊號，所以直接使用R與B訊號表示色度的UV。 也就是說UV訊號告訴了電視要偏移某象素的顏色，而不改變其亮度。 或者UV訊號告訴了顯示器使得某個顏色亮度依某個基準偏移。 UV的值越高，代表該像素會有更飽和的顏色。 彩色圖像記錄的格式，常見的有RGB、YUV、CMYK等。彩色電視最早的構想是使用RGB三原色來同時傳輸。這種設計方式是原來黑白頻寬的3倍，在當時並不是很好的設計。RGB訴求於人眼對色彩的感應，YUV則著重於視覺對於亮度的敏感程度，Y代表的是亮度，UV代表的是彩度（因此黑白電影可省略UV，相近於RGB），分別用Cr和Cb來表示，因此YUV的記錄通常以Y:UV的格式呈現。 為節省頻寬起見，大多數YUV格式平均使用的每像素位數都少於24位元。主要的抽样（subsample）格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和YCbCr 4:4:4。YUV的表示法稱為A:B:C表示法： 4:4:4表示完全取樣。 4:2:2表示2:1的水平取樣，垂直完全採樣。 4:2:0表示2:1的水平取樣，垂直2:1採樣。 4:1:1表示4:1的水平取樣，垂直完全採樣。 最常用Y:UV記錄的比重通常1:1或2:1，DVD-Video是以YUV 4:2:0的方式記錄，也就是我們俗稱的I420，YUV4:2:0並不是說只有U（即Cb）, V（即Cr）一定為0，而是指U：V互相援引，時見時隱，也就是說對於每一個行，只有U或者V份量，如果一行是4:2:0的話，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此類推。至於其他常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。 YUY2（和YUYV）格式為像素保留Y，而UV在水平空間上相隔二個像素採樣一次（Y0 U0 Y1 V0），（Y2 U2 Y3 V2）…其中，（Y0 U0 Y1 V0）就是一个macro-pixel（宏像素），它表示了2个像素，（Y2 U2 Y3 V2）是另外的2个像素。 以此类推，再如：Y41P（和Y411）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。一个宏像素为12个字节，实际表示8个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：（U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7）… YVYU, UYVY格式跟YUY2類似，只是排列順序有所不同。Y211格式是Y每2個像素採樣一次，而UV每4個像素採樣一次。AYUV格式則有一Alpha通道。 YV12格式與IYUV類似，每個像素都提取Y，在UV提取時，將圖像2 x 2的矩陣，每個矩阵提取一個U和一個V。YV12格式和I420格式的不同處在V平面和U平面的位置不同。在YV12格式中，V平面緊跟在Y平面之後，然後才是U平面（即：YVU）；但I420則是相反（即：YUV）。NV12與YV12類似，效果一樣，YV12中U和V是連續排列的，而在NV12中，U和V就交錯排列的。 排列举例： 2*2图像YYYYVU； 4＊4图像YYYYYYYYYYYYYYYYVVVVUUUU YUV與RGB的轉換公式： U和V元件可以被表示成原始的R，G，和B（R，G，B为γ预校正后的）: Y = 0.299 ∗ R + 0.587 ∗ G + 0.114 ∗ B U = − 0.169 ∗ R − 0.331 ∗ G + 0.5 ∗ B + 128 V = 0.5 ∗ R − 0.419 ∗ G − 0.081 ∗ B + 128 {\displaystyle {\begin{array}{rll}Y&=0.299*R+0.587*G+0.114*B\\U&=-0.169*R-0.331*G+0.5*B+128\\V&=0.5*R-0.419*G-0.081*B+128\end{array}}} 如一般順序，轉移元件的範圍可得到： Y ∈ [ 0 , 255 ] U ∈ [ 0 , 255 ] V ∈ [ 0 , 255 ] {\displaystyle {\begin{array}{rll}Y&\in \left[0,255\right]\\U&\in \left[0,255\right]\\V&\in \left[0,255\right]\end{array}}} 在逆轉關係上，從YUV到RGB，可得 R = Y + 1.13983 ∗ ( V − 128 ) G = Y − 0.39465 ∗ ( U − 128 ) − 0.58060 ∗ ( V − 128 ) B = Y + 2.03211 ∗ ( U − 128 ) {\displaystyle {\begin{array}{rll}R&=Y+1.13983*(V-128)\\G&=Y-0.39465*(U-128)-0.58060*(V-128)\\B&=Y+2.03211*(U-128)\end{array}}} 取而代之，以矩陣表示法（matrix representation），可得到公式： [ Y U V ] = [ 0.299 0.587 0.114 − 0.169 − 0.331 0.5 0.5 − 0.419 − 0.081 ] [ R G B ] + [ 0 128 128 ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}Y\\U\\V\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0.299&0.587&0.114\\-0.169&-0.331&0.5\\0.5&-0.419&-0.081\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}R\\G\\B\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0\\128\\128\end{bmatrix}}} [ R G B ] = [ 1 − 0.00093 1.401687 1 − 0.3437 − 0.71417 1 1.77216 0.00099 ] [ Y U − 128 V − 128 ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}R\\G\\B\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&-0.00093&1.401687\\1&-0.3437&-0.71417\\1&1.77216&0.00099\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}Y\\U-128\\V-128\end{bmatrix}}} function RGB* YUV444toRGB888(Y, U, V)；將YUV format移轉成簡單的RGB format並可以用浮點運算實作： 大多數YUV格式平均使用的每像素位數都少於24位元。YUV444是最逼真的格式，一格不刪（24 bits），即每4個Y，配上4個U，還有4個V；YUV422則是在UV格式上減半，即每4個Y，配2個U，2個V；YUV420則是在UV上減至1/4之格式，即每4個Y，配1個U，再配1個V。 這些公式是基於NTSC standard; Y ′ = 0.299 × R + 0.587 × G + 0.114 × B {\displaystyle Y'=0.299\times R+0.587\times G+0.114\times B} U = − 0.147 × R − 0.289 × G + 0.436 × B {\displaystyle U=-0.147\times R-0.289\times G+0.436\times B} V = 0.615 × R − 0.515 × G − 0.100 × B {\displaystyle V=0.615\times R-0.515\times G-0.100\times B} 在早期的非SIMD（non-SIMD）構造中，floating point arithmetic會比fixed-point arithmetic稍慢，所以有一替代公式如下： C = Y ′ − 16 {\displaystyle C=Y'-16} D = U − 128 {\displaystyle D=U-128} E = V − 128 {\displaystyle E=V-128} 使用前面的係數並且用clip()註明切割的值域是0至255，如下的公式是從Y'UV到RGB (NTSC version): R = c l i p ( ( 298 × C + 409 × E + 128 ) >> 8 ) {\displaystyle R=clip((298\times C+409\times E+128)>>8)} G = c l i p ( ( 298 × C − 100 × D − 208 × E + 128 ) >> 8 ) {\displaystyle G=clip((298\times C-100\times D-208\times E+128)>>8)} B = c l i p ( ( 298 × C + 516 × D + 128 ) >> 8 ) {\displaystyle B=clip((298\times C+516\times D+128)>>8)} 注意：上述的公式多暗示為YCbCr. 雖然稱為YUV，但應該嚴格區分YUV和YCbCr這兩個專有名詞有時並非完全相同。 ITU-R版本的公式差異： Y = 0.299 × R + 0.587 × G + 0.114 × B + 0 {\displaystyle Y=0.299\times R+0.587\times G+0.114\times B+0} C b = − 0.169 × R − 0.331 × G + 0.499 × B + 128 {\displaystyle Cb=-0.169\times R-0.331\times G+0.499\times B+128} C r = 0.499 × R − 0.418 × G − 0.0813 × B + 128 {\displaystyle Cr=0.499\times R-0.418\times G-0.0813\times B+128} R = c l i p ( Y + 1.402 × ( C r − 128 ) ) {\displaystyle R=clip(Y+1.402\times (Cr-128))} G = c l i p ( Y − 0.344 × ( C b − 128 ) − 0.714 × ( C r − 128 ) ) {\displaystyle G=clip(Y-0.344\times (Cb-128)-0.714\times (Cr-128))} B = c l i p ( Y + 1.772 × ( C b − 128 ) ) {\displaystyle B=clip(Y+1.772\times (Cb-128))} ITU-R標準YCbCr（每一通道8位元）至RGB888: Cr = Cr - 128; Cb = Cb - 128; R = Y + C r + C r >> 2 + C r >> 3 + C r >> 5 {\displaystyle R=Y+Cr+Cr>>2+Cr>>3+Cr>>5} G = Y − ( C b >> 2 + C b >> 4 + C b >> 5 ) − ( C r >> 1 + C r >> 3 + C r >> 4 + C r >> 5 ) {\displaystyle G=Y-(Cb>>2+Cb>>4+Cb>>5)-(Cr>>1+Cr>>3+Cr>>4+Cr>>5)} B = Y + C b + C b >> 1 + C b >> 2 + C b >> 6 {\displaystyle B=Y+Cb+Cb>>1+Cb>>2+Cb>>6} Input：讀取Y'UV的4bytes（u, y1, v, y2） Output：寫入RGB的6bytes（R, G, B, R, G, B） u = yuv[0]; y1 = yuv[1]; v = yuv[2]; y2 = yuv[3]; 以此一資訊可以剖析出regular Y'UV444格式而成為2 RGB pixels info: rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v); rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v); Y'UV422可被表達成Y'UY'2 FourCC格式碼。意思是2 pixels將被定義成each macropixel (four bytes) treated in the image. // Extract YUV components u = yuv[0]; y1 = yuv[1]; y2 = yuv[2]; v = yuv[3]; y3 = yuv[4]; y4 = yuv[5]; rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v); rgb2 = Y'UV444toRGB888(y2, u, v); rgb3 = Y'UV444toRGB888(y3, u, v); rgb4 = Y'UV444toRGB888(y4, u, v); 所以結果會得到4 RGB像素的值 (4*3 bytes) from 6 bytes. This means reducing size of transferred data to half and with quite good loss of quality. The Y'V12的格式相當類似Y'UV420p，但U與V資料反轉：Y'跟隨著V, U殿後。Y'UV420p與Y'V12使用相同演算法。許多重要的編碼器都採用YV12空間存儲視頻：MPEG-4（x264，XviD，DivX），DVD-Video存儲格式MPEG-2，MPEG-1以及MJPEG。 將Y'UV420p轉換成RGB Height = 16; Width = 16; Y'ArraySize = Height × Width; //（256） Y' = Array[7 × Width + 5]; U = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize]; V = Array[(7/2) × (Width/2) + 5/2 + Y'ArraySize + Y'ArraySize/4]; RGB = Y'UV444toRGB888(Y', U, V); Maller, Joe. RGB and YUV Color 互联网档案馆的存檔，存档日期2008-02-24., FXScript Reference 色度抽樣 RGB/YUV Pixel Conversion （页面存档备份，存于互联网档案馆） Explanation of many different formats in the YUV family （页面存档备份，存于互联网档案馆） Charles Poynton - Video engineering （页面存档备份，存于互联网档案馆） YUV422 to RGB using SSE/Assembly （页面存档备份，存于互联网档案馆）