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2016
05-31

YUV数据格式 – 杨平 –

概要:
与RGB编码方法类似,YUV也是一种颜色编码方法,主要用于电视系统以及模拟视频领域,它是指将亮度参量(Y:Luminance或Luma)和色度参量(UV:Chrominance或Chroma)分开进行表示的像素编码格式。而这样分开的好处就是不但可以避免相互干扰–没有UV信息一样可以显示完整的图像,因而解决了彩色电视与黑白电视的兼容问题;还可以降低色度的采样率而不会对图像质量影响太大,降低了视屏信号传输时对频宽(带宽)的要求。YUV是一个比较笼统地说法,针对它的具体排列方式,可以分为很多种具体的格式
YUV格式类别:

打包(packed)格式:将每个像素点的Y,U,V分量交叉排列并以像素点为单元连续的存放在同一数组中,通常几个相邻的像素组成一个宏像素(macro-pixel)
平面(planar)格式:使用三个数组分开连续的存放Y,U,V三个分量,即Y,U,V分别存放在各自的数组中。

YUV采样表示法:
YUV采用A:B:C表示法来描述Y,U,V采样频率比例,下图中黑点表示采样像素点Y分量, 空心圆表示采样像素点的UV分量。

4:4:4 表示色度频道没有下采样,即一个Y分量对应着一个U分量和一个V分量。
4:2:2 表示 2:1 的水平下采样,没有垂直下采样,即每两个Y分量共用一个U分量和一个V分量。
4:2:0 表示 2:1 的水平下采样,2:1 的垂直下采样,即每四个Y分量共用一个U分量和一个V分量。
4:1:1 表示 4:1 的水平下采样,没有垂直下采样。即每四个Y分量共用一个U分量或一个V分量,与其他格式相比,4:1:1 采样不太常用。

YUV数据存储:
下面以每个分量数据存储在一个char(或byte)中为例描述YUV的数据存储方式, 图中每个方格表示一个chat。
(1). 4:4:4格式,每像素32位
推荐一个 4:4:4 格式,FOURCC 码为 AYUV。这是一个打包格式,其中每个像素都被编码为四个连续字节,其组织顺序如下所示,其中A标示了alpha通道。

(2). 4:2:2格式,每像素16位
支持两个 4:2:2 格式,FOURCC 码如为 YUY2 和 UYVY。两个都是打包格式,其中每个巨像素都是编码为四个连续字节的两个像素。这样会使得色度水平下采样乘以系数 2。

YUY2

在 YUY2 格式中,数据可被视为一个不带正负号的 char 值组成的数组,其中第一个字节存储第一个 Y 样例,第二个字节存储第一个 U (Cb) 样例,第三个字节存储第二个 Y 样例,第四个字节存储第一个 V (Cr) 样例,如下图。

如果该图像被看作由两个 little-endian WORD 值组成的数组,则第一个 WORD 在最低有效位(LSB) 中包含 Y0,在最高有效位 (MSB) 中包含 U0。第二个 WORD 在 LSB 中包含 Y1,在 MSB 中包含 V0。

UYVY

此格式与 YUY2 相同,只是字节顺序是与之相反的。

如果该图像被看作由两个 little-endian WORD 值组成的数组,则第一个 WORD 在 LSB 中包含 U0,在 MSB 中包含 Y0,第二个 WORD 在 LSB 中包含 V0,在 MSB 中包含 Y1。

(3). 4:2:0格式,每像素16位
推荐两个 4:2:0 每像素 16 位格式,FOURCC 码: IMC1 和 IMC3。两个 FOURCC 码都是平面格式。色度频道在水平方向和垂直方向上都要以系数 2 来进行再次采样。

IMC1

所有 Y 样例都会作为不带正负号的 char 值组成的数组首先存储在内存中。后面跟着存储所有 V (Cr) 样例,然后是所有 U (Cb) 样例。V 和 U 平面与 Y 平面具有相同的跨距(即存储数组的宽度),从而遗留了如下图所示的未使用的内存区域。

IMC3

此格式与 IMC1 相同,只是 U 和 V 平面进行了交换。

(4). 4:2:0格式,每像素12位
推荐四个 4:2:0 每像素 12 位格式,FOURCC 码:IMC2, IMC4, YV12, NV12。在所有这些格式中,色度频道在水平方向和垂直方向上都要以系数 2 来进行再次采样。

IMC2

此格式与 IMC1 相同,只是 V (Cr) 和 U (Cb) 行在半跨距边界处进行了交错。换句话说,就是色度区域中的每个完整跨距行都以一行 V 样例开始,然后是一行在下一个半跨距边界处开始的 U 样例。

此布局与 IMC1 相比,IMC2能够更加高效地利用存储空间。它的色度存储空间缩小了一半,因此整体存储空间缩小了 25%。在各个 4:2:0 格式中,IMC2 是第二首选格式,排在 NV12 之后。

IMC4

此格式与 IMC2 相同,只是 U (Cb) 和 V (Cr) 行进行了交换。

YV12 (YU12格式和YV12存储格式基本相同,只是UV存储位置互换)

所有 Y 样例都会作为不带正负号的 char 值组成的数组首先存储在内存中。此数组后面紧接着存储所有 V (Cr) 样例。V 平面的跨距为 Y 平面跨距的一半,V 平面包含的行为 Y 平面包含行的一半。V 平面后面紧接着存储所有 U (Cb) 样例,它的跨距和行数与 V 平面相同。

NV12(NV21格式和NV12存储格式基本相同,只是UV存储位置互换)

所有 Y 样例都会作为由不带正负号的 char 值组成的数组首先存储在内存中,并且行数为偶数。Y 平面后面紧接着一个由不带正负号的 char 值组成的数组,其中包含了打包的 U (Cb) 和 V (Cr) 样例。

当组合的 U-V 数组被视为一个由 little-endian WORD 值组成的数组时,LSB 包含 U 值,MSB包含 V 值。NV12 是用于 DirectX VA 的首选 4:2:0 像素格式。

YUV数据转换:
(1). 4:2:2 -> 4:2:0的有损压缩转换
  Y存储数据不变,对U和V分量在行垂直下采样进行隔行抽样。

(2). 4:2:0 -> 4:2:2的补足转换
  Y存储数据不变,对U和V分量在行垂直下采样进行隔行拷贝补足下一行色度数据。
在YUV中,一个像素点对应一个Y分量,同一图像无论是4:4:4, 4:2:2, 4:2:0, 4:1:1的格式,其中Y分量数据都是完全相同的。YUV420sp和YUV420p的数据存储格式区别在于UV分量排列的顺序不同,YUV420p是先存储完U分量后再存储V分量,也就是说UV分量各自都是连续的,而YUV420sp则交叉存储UV分量,因此一个YUV420图片的存储空间为:
  Y分量 = width * hight
  U分量 = Y / 4
  V分量 = Y / 4
  YUV420图像存储空间 = width * hight * 3 / 2
例如一张分辨率为8X4的YUV420图像,数据存储格式如下图:
YUV420sp格式

YUV420p格式

YUV图像旋转算法:
下面以YUV420sp格式图像为例给出旋转90的算法。

public void rotateYUV420sp(byte[] src, byte[] des, int width, int height) {
int length = width * height;
int k = 0;
for(int i = 0; i < width; i++) {
for(int j = 0; j < height; j++) {
des[k] = src[width * j + i];
k++;
}
}

for(int i = 0; i < width; i + =2) {
for(int j = 0; j < height / 2; j++) {
des[k] = src[length + width * j + i];
des[k + 1] = src[length + width * j + i + 1];
k += 2;
}
}
}

参考原文链接:
http://www.cnblogs.com/azraelly/archive/2013/01/01/2841269.html
http://www.xuebuyuan.com/1541892.html

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作者:
这个作者貌似有点懒,什么都没有留下。

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