YUV数据格式与YUV_420_888

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最近在准备做Android Camera2相关应用,刚好也碰上了YUV格式相关的问题,所以还是写一篇博客理解YUV格式数据。

介绍

YUV是一种颜色空间,基于YUV的颜色编码是流媒体的常用编码方式。

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、Luma),“U”和“V”则是色度、浓度(Chrominance、Chroma),Y′UV, YUV, YCbCr, YPbPr所指涉的范围,常有混淆或重叠的情况。

YUV格式有两大类:planar和packed。

  • 平面格式(planar formats) :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,如 YYYY YYYY UU VV。

  • 紧缩格式(packed formats):对于packed的YUV格式,每个像素点的Y,U,V是连续交替存储的,如YUV YUV YUV YUV,这种排列方式跟 RGB 很类似。

历史

Y'UV的发明是由于彩色电视与黑白电视的过渡时期。黑白视频只有Y(Luma,Luminance)视频,也就是灰阶值。到了彩色电视规格的制定,是以YUV/YIQ的格式来处理彩色电视图像,把UV视作表示彩度的C(Chrominance或Chroma),如果忽略C信号,那么剩下的Y(Luma)信号就跟之前的黑白电视频号相同,这样一来便解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。Y'UV最大的优点在于只需占用极少的带宽。

因为UV分别代表不同颜色信号,所以直接使用R与B信号表示色度的UV。 也就是说UV信号告诉了电视要偏移某象素的的颜色,而不改变其亮度。 或者UV信号告诉了显示器使得某个颜色亮度依某个基准偏移。 UV的值越高,代表该像素会有更饱和的颜色。

彩色图像记录的格式,常见的有RGB、YUV、CMYK等。彩色电视最早的构想是使用RGB三原色来同时传输。这种设计方式是原来黑白带宽的3倍,在当时并不是很好的设计。RGB诉求于人眼对色彩的感应,YUV则着重于视觉对于亮度的敏感程度,Y代表的是亮度,UV代表的是彩度(因此黑白电影可省略UV,相近于RGB),分别用Cr和Cb来表示,因此YUV的记录通常以Y:UV的格式呈现。

将一张图片的Y、U、V数据单独显示就会如下图所示:

常见YUV格式

YUV的存储格式其实与其采样的方式密切相关,主流的采样方式有三种,YUV4:4:4,YUV4:2:2,YUV4:2:0。

以黑点表示采样该像素点的Y分量,以空心圆圈表示采用该像素点的UV分量

YUV444

yuv444.png

4:4:4表示完全取样,每个像素点都采样单独的 YUV 分量信息,包含了最全面的 YUV 信息。

YUV422

yuv422.png

在 YUV444 编码的基础上采用 2 * 1 的矩阵进行二次取样,也就是在水平方向上隔一列采样一次 UV 信息,在垂直方向上进行完全取样,每两个Y共用一组UV分量。

  • YUYV格式

    字节排列 : YUYV YUYV YUYV YUYV

  • UYVY 格式

    字节排列 : UYVY UYVY UYVY UYVY

  • YUV422P格式

    字节排列 :YYYY YYYY UUUU VVVV

YUV420

yuv420.png

解决 YUV444 占用空间过大问题,也是最常用的采样格式。在 YUV444 格式的基础上使用 2 * 2 矩阵对像素点进行二次取样,4 个像素点具有单独 Y 分量且共享同一个 UV 信息,总 6 字节。一帧图像占用总空间 (W * H + W * H / 2) bytes,比 YUV444 少一半空间。

  • I420格式 字节排列 YYYY YYYY UU VV,全部都是平面型排列

  • NV21格式 字节排列 YYYY YYYY UV UV,Y 平面和 UV 平面, UV 内部是紧凑型

  • YV12格式 字节排列 YYYY YYYY VV UU,平面型,V 在 U 前面

更多YUV格式参看:V4L2文档翻译(十)

4 :2: 2 和4:2:0 转换

最简单的方式:

YUV4:2:2 ---> YUV4:2:0 Y不变,将U和V信号值在行(垂直方向)在进行一次隔行抽样

YUV4:2:0 ---> YUV4:2:2 Y不变,将U和V信号值的每一行分别拷贝一份形成连续两行数据

YUV_420_888

YUV_420_888是在Android Camera2直播开发中遇到的一个Android内部的YUV格式,当时也是在这个格式上面纠结好久,直播的视频流想用YUV420P格式的数据,但却不清楚这个YUV_420_888到底对应的到底是个什么样的格式,网上对这个格式的讲解也比较少。在搜索一番之后终于搞定,在这里记录一下。

下面这两篇博客介绍了YUV_420_888以及如何解析,讲的很清晰,这里还是不自己去写了。

android camera2 拿到的yuv420数据到底是什么样的?

Android: Image类浅析(结合YUV_420_888)