YUV数据格式

目录

  1. YUV的原理
  2. YUV的取值范围
  3. YUV的存储格式
  4. YUV的采样格式
  5. 存储方式
  6. 10bit YUV数据的存储

参考

1. YUV的原理

YUV 的原理是把亮度(Luma)与色度(Chroma)分离。
“Y”表示亮度,也就是灰度值。
“U”表示蓝色通道与亮度的差值。
“V”表示红色通道与亮度的差值。

其中 Y 信号分量除了表示亮度信号外,还含有较多的绿色通道量,单纯的 Y 分量可以显示出完整的黑白图像。
U、V 分量分别表示蓝 (blue)、红 (red) 分量信号,只含有色度信息,所以 YUV 也称为 YCbCr,其中,Cb、Cr的含义等同于U、V,C 可以理解为 component 或者 color。

RGB 转 YUV 的公式能更好地反应 YUV 与 RGB 的关系,以及为什么称为 YCbCr:


yuv1.png

RGB与YUV的变换公式如下:


yuv_rgb.jpg

在RGB色彩空间中,三个颜色的重要程度相同,所以需要使用相同的分辨率进行存储,最多使用RGB565这样的形式减少量化的精度,但数据量还是很大的。

研究发现人眼对亮度的敏感超过色度。将图像的亮度信息和颜色信息分离,并使用不同的分辨率进行存储,这样在对主观感觉影响很小的前提下,可以更加有效地存储图像数据。

2. YUV的取值范围

与RGB每个像素点的每个分量取值范围为0-255不同(每个分量占8bit),YUV取值范围有两种:

  1. 以Rec.601为代表(还包括BT.709 / BT.2020)的广播电视标准中,Y的取值范围是16-235,U、V的取值范围是16-240。FFmpeg中称之为“mpeg”范围。
  2. 以JPEG为代表的标准中,Y、U、V的取值范围都是0-255。FFmpeg中称之为“jpeg” 范围。

实际中最常见的是第1种取值范围的YUV(可以自己观察一下YUV的数据,会发现其中亮度分量没有取值为0、255这样的数值)。很多人在这个地方会有疑惑,为什么会去掉“两边”的取值呢?

原因:

  • 在广播电视系统中不传输很低和很高的数值,实际上是为了防止信号变动造成过载,因而把这“两边”的数值作为“保护带”[4]。

下面这张图是数字电视中亮度信号量化后的电平分配图。从图中可以看出。

  • 对于8bit量化来说,信号的白电平为235,对应模拟电平为700mV。
  • 黑电平为16,对应模拟电平为0mV。
  • 信号上方的“保护带”取值范围是236至254,而信号下方的“保护带”取值范围是1-15。
  • 最边缘的0和255两个电平是保护电平,是不允许出现在数据流中的。

与之类似,10bit量化的时候,白电平是235*4=940,黑电平是16*4=64。


quantization_yuv.jpg

下面两张图是数字电视中色度信号量化后的电平分配图。可以看出:

  • 色度最大正电平为240,对应模拟电平为+350mV。
  • 色度最大负电平为16,对应模拟电平为-350mV。
  • 需要注意的是,色度信号数字电平128对应的模拟电平是0mV。
quantization_2.jpg

quantization_3.jpg

3. YUV的存储格式

YUV格式有两大类:planar和packed。

对于 planar 的 YUV 格式,先连续存储所有像素点的 Y,紧接着存储所有像素点的 U,随后是所有像素点的 V。相当于将 YUV 拆分成三个平面 (plane) 存储。

对于 packed 的 YUV 格式,每个像素点的 Y,U,V 是连续交替存储的。

4. YUV的采样格式

主要的采样格式有YUV4:4:4、YUV4:2:2、YUV4:2:0 ,其中YUV4:2:0是最常用的采样格式。

采样就是根据一定的间隔取值。其中的比例是指 Y、U、V 表示的像素,三者分别占的比值。

下图是YUV4:4:4,YUV4:2:2,YUV4:2:0的采样示意图。
image
  • YUV 4:4:4采样,每一个Y对应一组UV分量。
  • YUV 4:2:2采样,每两个Y共用一组UV分量。
  • YUV 4:2:0采样,每四个Y共用一组UV分量。

5. 存储方式

下面用图的形式给出常见的YUV数据的存储方式,并在后面附有取样每个像素点的YUV数据的方法。

(1) YUYV 格式 (属于YUV422)


YUYV.png

相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr,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。

(2) UYVY 格式 (属于YUV422)


YUYV.png

与YUYV不同的是UV的排列顺序不一样,还原其每个像素点的YUV值的方法与上面一样。

(3) YUV422P(属于YUV422)


YUV422P.png

YUV422P是一种平面模式,其每一个像素点的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法,即两个Y共用一个UV。比如,对于像素点Y'00、Y'01 而言,其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00。

(4) YUV420P格式(属于YUV420)


YV12.png

YUV420P,Y,U,V三个分量都是平面格式,分为I420和YV12。I420格式和YV12格式的不同处在U平面和V平面的位置不同。注意,上图中,Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00,其他依次类推。在I420格式中,U平面紧跟在Y平面之后,然后才是V平面(即:YUV);但YV12则是相反(即:YVU)。

YUV420p.png

I420: YYYYYYYY UU VV
YV12: YYYYYYYY VV UU

(5) NV12、NV21(YUV420sp,属于YUV420)


NV12.png

这两种格式的不同在于UV交错排列的顺序不同,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,其他依次类推。

假设一个分辨率为8X4的YUV图像,它们的格式如下图:
YUV420sp格式如下图

YUV420sp.png

NV12: YYYYYYYY UVUV
NV21: YYYYYYYY VUVU

以w*h大小图像的YUV420数据为例,
其存储格式是: 共大小为(w * h * 3/2)字节,
Y分量:(w * h)个字节
U(Cb)分量:(w * h/4)个字节
V(Cr)分量:(w * h/4)个字节

6. 10bit YUV数据的存储

常见的yuv数据,每个像素的一个通道一般是占用一个字节即8bit。而HDR常用的标准HDR10,数据是10bit的。

10bit数据是怎么存储的呢?我们一般会有两种想法:

  1. 每个像素的一个通道占用两个字节,其中6个bit是填充位。
  2. 每个像素的一个通道占用10bit,10bit数据和10bit数据是挨着排列的。

优缺点

  1. 方式1:便于运算处理,有存储冗余;
  2. 方式2:存储没有冗余,计算麻烦。

事实上,10bit是采用方式1存储的,并且高有效字节的前6个bit是填充的0。

HDR10视频解码得到YUV数据的命令:

//yuv420p10le格式
ffmpeg -i hdr10.mp4 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p10be hdr10_yuv420p10le.yuv

//yuv420p10be格式
ffmpeg -i hdr10.mp4 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p10be hdr10_yuv420p10le.yuv

(1)yuv420p10le的数据格式的16进制的显示:

image.png

比如地址019f7040h开始的两个字节:

-------------低地址---->高地址--------------
00011111 000000 01  

(2)yuv420p10be的数据格式的16进制的显示:

image.png

比如地址019f7040h开始的两个字节:

-------------低地址---->高地址--------------
000000 01 00011111   

工具推荐:一个可以播放10bit yuv流的播放器YUV Player

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