鷹眼視圖——《圖樣，too simple》系列之二

引言：最近為FPGA驗證做圖片生成器，檢索了多種圖片格式的介紹文檔，這里做一個總結，希望對剛接觸數字圖像處理的新同事有所幫助。本系列分三部分，介紹工作中常見的YUV、RAW等各種圖片格式，不求艱深晦澀，但求簡潔明了。

本文是第二部分：YUV？什么鬼？à so easy!

1????? YUV簡介

與RGB類似，YUV也是3個分量的組合，其中Y表示明亮度，也就是灰度值；U和V表示色彩（色度）。YUV等同于YCbCr，其中Cb是Component blue的縮寫，即藍色分量，表示輸入信號藍色部分與亮度值之間的差異，Cr是Component red的縮寫，即紅色分量，表示輸入信號紅色部分與亮度值之間的差異。

可見YUV實現了亮度信號Y與色度信號U/V的分離，可以獨立存儲和傳輸，另外可以根據人眼特性進行壓縮采樣（下采樣），從而顯著降低圖像存儲容量及傳輸帶寬。

研究表明，人眼對亮度的敏感超過色度，色度信息減少一點，人眼幾乎難以察覺。基于此，人們保留了每個像素點的亮度Y信息，對UV信息進行隔行或隔列采樣（多像素共享一個U分量和V分量）；按照不同的采樣率，衍生出YUV4:4:4、YUV4:2:2和YUV4:2:0三種常見格式。

2????? YUV444

YUV444格式是YUV4:4:4的簡寫，表示Y:U:V=4:4:4，即沒有壓縮采樣，每一個像素的YUV三分量都得到保留。

3????? YUV422

YUV422格式是YUV4:2:2的簡寫，表示Y:U:V=4:2:2，從字面上看，即相鄰的4個像素點除了保留4個Y分量，另外只保留2個U分量和2個V分量。實際表現在整幅圖像上，就是每行像素中，隔列丟棄一組UV信息，下圖中黑點表示像素點的Y分量，空心圓表示采用該像素點的UV分量：

按照YUV分量存儲順序不同，又分為YUYV、UYVY和YUV422P三種格式：

3.1????? YUYV

為了一目了然，以2行x4列像素點為例，以下為采樣壓縮前的數據，下標為像素點序號：

上圖中兩個相鄰的像素組成一個宏像素（Macro-Pixel），如紅框所示為第一個宏像素。第一個宏像素經4:2:2采樣壓縮后，只保留Y0、Y1、U0和V0，如果存儲順序為Y0U0Y1V0，這種存儲格式就是YUYV（有的文檔也稱YUY2）。依此類推，上述8個像素采樣后的數據排列如下：

相應的存儲順序為：Y0U0Y1V0 ?Y2U2Y3V2 ?Y4U4Y5V4 ?Y6U6Y7V6

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的YUYV圖片。

3.2????? UYVY

與YUYV類似，只是每個宏像素內部YUV分量存儲的順序不同，按照UYVY的順序存儲，就叫UYVY格式（顧名思義）。

同樣以上述2行x4列像素點為例，則采樣后的數據排列如下

相應的存儲順序為：U0Y0V0Y1 ?U2Y2V2Y3 ?U4Y4V4Y5 ?U6Y6V6Y7

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的UYVY圖片。

3.3????? YUV422P

上述兩種格式都是packed存儲方式，即每個宏像素點的YUV分量都是打包起來逐個包進行存儲。YUV422P格式與此不同，這里的P是planar的縮寫，即平面存儲方式，分Y/U/V三個平面分別存儲：先連續存儲所有像素點的Y，緊接著存儲所有像素點的U，最后是所有像素點的V。

同樣以上述2行x4列像素點為例，采樣后的數據存儲順序為：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7? U0U2U4U6? V0V2V4V6

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的YUV422P圖片。

4????? YUV420

YUV420格式是YUV4:2:0的簡寫，但并不表示整幅圖像中Y:U:V的采樣率為4:2:0，即并不表示丟棄了所有V分量。而是表示在某一行中丟棄所有V分量，此行內Y:U:V=4:2:0，但在緊鄰的下一行中保留一半V分量，丟棄所有U分量，此行內Y:U:V=4:0:2。從整幅圖上看，所有Y分量被保留，每個2x2小窗口構成一個宏像素（Macro-Pixel），共享一個UV分量，如下圖所示，黑色實心圓代表Y，空心圓代表UV：

按照YUV分量存儲順序不同，又分為I420、YV12、NV12、NV21四種格式：

4.1????? I420

I420屬于420P中的一種，即平面存儲方式：Y、U、V三分量分開獨立存儲。先存儲所有Y，然后U，最后是V。同樣以上述2行x4列像素點矩陣為例：

采樣后I420格式圖片數據的存儲順序為：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7? U0U2? V4V6

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的I420圖片。

4.2????? YV12

YV12也屬于420P中的一種，即平面存儲方式：Y、U、V三分量分開獨立存儲。但UV分量存儲順序調換，先存儲所有Y，然后V，最后是U。同樣以上述2行x4列像素點矩陣為例：

采樣后YV21格式圖片數據的存儲順序為：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7? V4V6? ??U0U2

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的YV12圖片。

4.3????? NV12

NV12屬于YUV420sp中的一種，這里的sp是semi-planar的縮寫，即半平面存儲方式：不再是3個平面，而是兩個平面——Y平面和UV平面，分別獨立存儲Y分量和UV分量。先存儲所有Y，然后UV平面中UV交錯存儲。同樣以上述2行x4列像素點矩陣為例：

采樣后NV12格式圖片數據的存儲順序為：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7? U0V4U2V6

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的NV12圖片。

4.4????? NV21

NV21也屬于YUV420sp中的一種，先存儲所有Y，然后UV平面中UV交錯存儲，與NV12不同的是UV平面中UV分量先后順序是顛倒的。同樣以上述2行x4列像素點矩陣為例：

采樣后NV21格式圖片數據的存儲順序為：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7? V4U0V6U2

進而可以擴展到1024*768分辨率及更大尺寸的NV21圖片。

5????? Y8

最后提一下最簡單的Y8格式，顧名思義，就是每個像素點只保存Y分量，每個Y分量用8個bit位表示，取值為0-255。這與我們上篇提到的單通道256階灰度圖非常類似，是YUV色彩空間中的灰度圖。

另外澄清一下，檢索國外文獻的時候要注意，他們稱這種格式為Luma 8bits。

OK，常用的YUV格式基本介紹完了，希望對大家有幫助。后面敬請關注《圖樣 too simple》系列之三：RAW10? 12? 14? bggr? 原來如此原始+土豪!

其他

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