一、YUV和YCbCr的关系
正如几何上用坐标空间来描述坐标集合,色彩空间用数学方式来描述颜色集合。常见的3个基本色彩模型是RGB,CMYK和YUV。
YCbCr则是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU - R BT.601建议的一部分,其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV中的Y含义一致,Cb、Cr同样都指色彩,只是在表示方法上不同而已。在YUV家族中,YCbCr是在计算机系统中应用最多的成员,其应用领域很广泛,JPEG、MPEG均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指YCbCr。YCbCr有许多取样格式,如4:4:4、4:2:2、4:1:1和4:2:0。
1.1 YUV
YUV,是一种颜色编码方法。常使用在各个视频处理组件中。 YUV在对照片或视频编码时,考虑到人类的感知能力,允许降低色度的带宽。
YUV是编译true-color颜色空间(color space)的种类,Y'UV, YUV, YCbCr,YPbPr等专有名词都可以称为YUV,彼此有重叠。“Y”表示明亮度(Luminance或Luma),也就是灰阶值,“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。
Y′UV,YUV,YCbCr,YPbPr所指涉的范围,常有混淆或重叠的情况。从历史的演变来说,其中YUV和Y'UV通常用来编码电视的模拟信号,而YCbCr则是用来描述数字的视频信号,适合视频与图片压缩以及传输,例如MPEG、JPEG。但在现今,YUV通常已经在电脑系统上广泛使用。
1.2 YCbCr
YCbCr其中Y是指亮度分量,Cb指蓝色色度分量,而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感,因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后,肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。
4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量、2个色度分量 (YYYYCbCr),仅采样奇数扫描线,是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式;4:2:2表示每4个像素有4个亮度分量、4个色度分量(YYYYCbCrCbCr),是DVD、数字电视、HDTV以及其它消费类视频设备的最常用格式;4:4:4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr),用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。
二、主要采样格式
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RGB(R,G,B 都是8bit unsigned)模型,每个点需要8x3=24bits,而仅需要8+(8/4)+(8/4)=12bits,平均每个点占12bits,这样就把图像的数据压缩了一半。
上边仅给出了理论上的示例,在实际数据存储中是有可能是不同的,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,每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。
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
4:1:1的色度抽样,是在水平方向上对色度进行4:1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。
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]
4、YUV 4:2:0
4:2:0并不意味着只有Y、Cb而没有Cr分量。它指得是对每行扫描线来说,只有一种色度分量以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量,也就是说,如果一行是4:2:0的话,下一行就是4:0:2,再下一行是4:2:0...以此类推。对每个色度分量来说,水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1,所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说,每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。
下面八个像素为:[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7 U7 V7] [Y8 U8 V8]
存放的码流为:Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3
Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
映射出的像素点为:[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7 U2 V7] [Y8 U2 V7]