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FFmpeg学习笔记——颜色编码

颜色编码:YUVRGB

BT601_UV_YUV

  • BT601 UV 的坐标图(量化后): (横坐标为u,纵坐标为v,左下角为原点)
  • U越大, 蓝色越蓝; V越大,红色越红

YUV

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

作用: 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

格式

YUV Formats分成两个格式:

  • 紧缩格式(packed formats):将Y、U、V值储存成Macro Pixels阵列,和RGB的存放方式类似, 将YUV分量存放在同一个数组中,通常是几个相邻的像素组成一个宏像素(macro-pixel)。
  • 平面格式(planar formats):将Y、U、V的三个分量分别存放在不同的矩阵中, 使用三个数组分开存放YUV三个分量,就像是一个三维平面一样。

采样方式

主流的采样方式有三种,YUV4:4:4YUV4:2:2YUV4:2:0

  • YUV4:4:4:表示完全取样。
  • YUV4:2:2:表示2:1的水平取样,垂直完全采样。
  • YUV4:2:0:表示2:1的水平取样,垂直2:1采样。

yuv_sample_way

  • 黑点:表示采样该像素点的Y分量;
  • 空心圆圈:表示采用该像素点的UV分量。
  1. YUV 4:4:4采样,每一个Y对应一组UV分量, 每个像素32bit。
  2. YUV 4:2:2采样,每两个Y共用一组UV分量, 每个像素16bit。
  3. YUV 4:2:0采样,每四个Y共用一组UV分量, 每个像素16bit。

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。

YUYV格式 (属于YUV422)

YUV 4:2:2

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start + 0:    Y'00    Cb00    Y'01    Cr00    Y'02    Cb01    Y'03    Cr01
start + 8: Y'10 Cb10 Y'11 Cr10 Y'12 Cb11 Y'13 Cr11
start +16: Y'20 Cb20 Y'21 Cr20 Y'22 Cb21 Y'23 Cr21
start +24: Y'30 Cb30 Y'31 Cr30 Y'32 Cb31 Y'33 Cr31

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。

UYVY格式(属于YUV422)

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start + 0:    Cb00    Y'00    Cr00    Y'01    Cb01    Y'02    Cr01    Y'03
start + 8: Cb10 Y'10 Cr10 Y'11 Cb11 Y'12 Cr11 Y'13
start +16: Cb20 Y'20 Cr20 Y'21 Cb21 Y'22 Cr21 Y'23
start +24: Cb30 Y'30 Cr30 Y'31 Cb31 Y'32 Cr31 Y'33

每四字节代表两个像素,包含两个Y’,一个Cb和Cr。两个Y是两个像素的数据,而Cb和Cr对于两个像素来说都是一样的。如你所见,Cr和Cb部分只有相对于Y部分的一半竖向分辨率。

YV12,YU12格式(属于YUV420)

YUV4:2:0

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start + 0:    Y'00    Y'01    Y'02    Y'03
start + 4: Y'10 Y'11 Y'12 Y'13
start + 8: Y'20 Y'21 Y'22 Y'23
start +12: Y'30 Y'31 Y'32 Y'33
start +16: Cr00 Cr01
start +18: Cr10 Cr11
start +20: Cb00 Cb01
start +22: Cb10 Cb11

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。

NV12、NV21格式(属于YUV420)

YUV4:2:0

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start + 0:    Y'00    Y'01    Y'02    Y'03
start + 4: Y'10 Y'11 Y'12 Y'13
start + 8: Y'20 Y'21 Y'22 Y'23
start +12: Y'30 Y'31 Y'32 Y'33
start +16: Cb00 Cr00 Cb01 Cr01
start +20: Cb10 Cr10 Cb11 Cr11

NV12和NV21属于YUV420格式,是一种two-plane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

存储空间

假设,图片大小:wh

这里的wh,代表的是y在整个编码中的个数

YUV420

  • Y = w * h
  • UV = (w * h)/2
  • 所占内存:YUV = Y + UV = (w h 3) / 2

YUV422

  • 所占内存:YUV = (w h) 2

RGB

RGB: 三原色光模式(RGB color model),又称RGB颜色模型或红绿蓝颜色模型,是一种加色模型,将红(Red)绿(Green)蓝(Blue)三原色的色光以不同的比例相加,以产生多种多样的色光。(且三原色的红绿蓝不可能用其他单色光合成)

rgb

三原色光的相加:红光加绿光为黄光黄光加蓝光为白光

RGB颜色查询对照表

格式

  • RGB565: 每个像素用16位表示,RGB分量分别使用5位、6位、5位
  • RGB555: 每个像素用16位表示,RGB分量都使用5位(剩下1位不用)
  • RGB24: 每个像素用24位表示,RGB分量各使用8位
  • RGB32: 每个像素用32位表示,RGB分量各使用8位(剩下8位不用)
  • ARGB32: 每个像素用32位表示,RGB分量各使用8位(剩下的8位用于表示Alpha通道值)

存储方式

RGB565

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high                         low
7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0
R R R R R G G G G G G B B B B B
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#define RGB565_MASK_RED    0xF800
#define RGB565_MASK_GREEN 0x07E0
#define RGB565_MASK_BLUE 0x001F

R = (wPixel & RGB565_MASK_RED) >> 11; // 取值范围0-31
G = (wPixel & RGB565_MASK_GREEN) >> 5; // 取值范围0-63
B = wPixel & RGB565_MASK_BLUE; // 取值范围0-31

#define RGB(r,g,b) (unsigned int)( (r|0x08 << 10) | (g|0x08 << 5) | b|0x08 )

RGB555

1
X R R R R R G G  G G G B B B B B

RGB24

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5
typedef struct rgb24 {
unsigned char rgbtBlue;
unsigned char rgbtGreen;
unsigned char rgbtRed;
} RGB;

RGB32

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6
typedef struct rgb32 {
unsigned char rgbBlue;
unsigned char rgbGreen;
unsigned char rgbRed;
unsigned char rgbReserved;
} RGB;

YUV模型和RGB模型的关系

YUV色彩模型来源于RGB模型,该模型的特点是将亮度色度分离开,从而适合于图像处理领域。

  1. 应用——模拟领域

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    Y'= 0.299*R' + 0.587*G' + 0.114*B'
    U'= -0.147*R' - 0.289*G' + 0.436*B' = 0.492*(B'- Y')
    V'= 0.615*R' - 0.515*G' - 0.100*B' = 0.877*(R'- Y')
    R' = Y' + 1.140*V'
    G' = Y' - 0.394*U' - 0.581*V'
    B' = Y' + 2.032*U'
  2. 应用——数字领域

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    Y’ = 0.257*R' + 0.504*G' + 0.098*B' + 16
    Cb' = -0.148*R' - 0.291*G' + 0.439*B' + 128
    Cr' = 0.439*R' - 0.368*G' - 0.071*B' + 128
    R' = 1.164*(Y’-16) + 1.596*(Cr'-128)
    G' = 1.164*(Y’-16) - 0.813*(Cr'-128) - 0.392*(Cb'-128)
    B' = 1.164*(Y’-16) + 2.017*(Cb'-128)

YCbCr模型来源于YUV模型。YCbCr是 YUV 颜色空间的偏移版本.

上面各个符号都带了一撇,表示该符号在原值基础上进行了伽马校正,伽马校正有助于弥补在抗锯齿的过程中,线性分配伽马值所带来的细节损失,使图像细节更加丰富。在没有采用伽马校正的情况下,暗部细节不容易显现出来,而采用了这一图像增强技术以后,图像的层次更加明晰了。所以说H264里面的YUV应属于YCbCr.

参考

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  • 本文作者: Winddoing
  • 本文链接: https://winddoing.github.io/post/49519.html
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