RGB与YUV格式详解

图像处理

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前言

在图像的世界里，一般使用RGB作为存储格式。而在视频的世界里，一般使用YUV作为压缩存储格式。有时候面试官会问：为什么视频使用YUV来压缩存储，而不用RGB？YUV与RGB有什么区别，两者如何转换的？常见的RGB格式有哪些，常见的YUV格式又有哪些？手机摄像头的预览格式是什么，如何转换为YUV420P的？我们带着这些问题，来揭开RGB与YUV格式的面纱。

一、RGB格式

RGB是一种图像存储格式，也是三原色，取值范围[0, 255]。R代表Red红色，G代表Green绿色，B代表Blue蓝色。在openCV中，一般使用BGR格式。在图像中，一般使用32位色的ARGB(或RGBA)代表一个像素，其中A代表Alpha透明度。常见的RGB格式有RGB888、RGBA8888、RGB565等。

1、RGBA8888
关于RGBA8888格式，每个通道占8位，即一个字节。四个通道构成一个像素，总共占32位。排列顺序如下图所示：

2、RGB565
关于RGB565格式，其中R占5位，G占6位，B占5位。三个通道构成一个像素，总共占16位。排列顺序如下图所示：

3、图像的像素阵列
一张图像由宽x高的像素阵列构成，为了内存对齐，会使用stride来填充。如下图所示，由4x3构成的像素阵列，其中P代表pixel：

二、YUV格式

YUV是一种视频压缩存储格式。其中Y代表Luma亮度，U代表Chroma色度，V代表Contrast对比度。常见的YUV采样比例如下：

4:4:4 表示完全采样
4:2:2 表示水平2:1采样，垂直完全采样
4:2:0 表示水平2:1采样，垂直2:1采样
4:1:1 表示水平4:1采样，垂直完全采样

常见的YUV格式有：YUV420p、YUV420sp、NV21等。由于U和V分量都是Y分量的1/4，而RGB888的所有分量占比都是1。进一步可得，YUV整体占比是3/2，RGB整体占比是6/2，YUV所占存储空间比RGB少了3/2。因此，默认采用YUV作为视频压缩存储格式。
1、YUV420p
YUV420p属于平面存储，YUV分量占比为4:1:1，即每4个Y共享一组UV。先是Y分量，然后是U分量，最后是V分量。排列如下图所示：

2、YUV420sp
YUV420sp属于交错存储，YUV分量占比为4:1:1，即每4个Y共享一组UV。先是Y分量，然后是UV分量交错存储。排列如下图所示：

3、NV21
NV21属于交错存储，YUV分量占比为4:1:1，即每4个Y共享一组UV。Android手机摄像头预览数据默认是NV21格式。和YUV420sp的区别是，NV21是VUVU这样排列，如下图所示：

三、RGB与YUV转换

关于YUV与RGB的转换公式，可
参考ITU标准：https://www.itu.int/rec/R-REC-BT.601。
也可以，
参考维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/YUV。
咱们来看下转换公式：

以rgb转yuv为例，示例代码如下：

void rgb_to_yuv(int8_t *yuv, int *rgb, int width, int height) {int rgbIndex = 0;int yIndex = 0;int uIndex = width * height;int vIndex = width * height * 5 / 4;int R, G, B;float Y, U, V;// 遍历图像，获取所有像素点 for (int i = 0; i < height; i++) {for (int j = 0; j < width; j++) {// 从像素点获取R、G、B分量R = (rgb[rgbIndex] & 0xFF0000) >> 16;G = (rgb[rgbIndex] & 0xFF00) >> 8;B = (rgb[rgbIndex] & 0xFF);// 使用公式把RGB转成YUVY = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B;U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B;V = 0.615 * R - 0.515 * G - 0.100 * B;// YUV分量赋值给yuv数组yuv[yIndex++] = (int8_t)Y;if (i % 2 == 0 && j % 2 == 0) {yuv[uIndex++] = (int8_t) U;yuv[vIndex++] = (int8_t) V;}rgbIndex++;}} 
}

四、NV21转换为YUV420p

由于NV21是交错存储，4个Y共享一组UV，而且是VUVU这样排列。所以，我们需要把偶数的V分量、奇数的U分量读出来，然后赋值给YUV420p。代码如下：

static void nv21_to_yuv420p(int8_t *dst, int8_t *src, int len) {memcpy(dst, src, len); // yfor (int i = 0; i < len / 4; ++i) {*(dst + len + i) = *(src + len + i * 2 + 1);  // u*(dst + len * 5 / 4 + i) = *(src + len + i * 2); // v}
}

五、YUV旋转

YUV的存储是有旋转角度的存在。在手机拍摄时，按照逆时针来看，横屏向左是0度，竖屏向下是90度，横屏向右是180度，竖屏向上是270度。既然有旋转角度，我们就需要对YUV进行旋转处理，代码如下：

static void yuv420p_rotate90(int8_t *dst, const int8_t *src, int width, int height) {int n = 0;int wh = width * height;int half_width = width / 2;int half_height = height / 2;// yfor (int j = 0; j < width; j++) {for (int i = height - 1; i >= 0; i--) {dst[n++] = src[width * i + j];}}// ufor (int i = 0; i < half_width; i++) {for (int j = 1; j <= half_height; j++) {dst[n++] = src[wh + ((half_height - j) * half_width + i)];}}// vfor (int i = 0; i < half_width; i++) {for (int j = 1; j <= half_height; j++) {dst[n++] = src[wh + wh / 4 + ((half_height - j) * half_width + i)];}}
}static void yuv420p_rotate180(int8_t *dst, const int8_t *src, int width, int height) {int n = 0;int half_width = width / 2;int half_height = height / 2;// yfor (int j = height - 1; j >= 0; j--) {for (int i = width; i > 0; i--) {dst[n++] = src[width * j + i - 1];}}// uint offset = width * height;for (int j = half_height - 1; j >= 0; j--) {for (int i = half_width; i > 0; i--) {dst[n++] = src[offset + half_width * j + i - 1];}}// voffset += half_width * half_height;for (int j = half_height - 1; j >= 0; j--) {for (int i = half_width; i > 0; i--) {dst[n++] = src[offset + half_width * j + i - 1];}}
}static void yuv420p_rotate270(int8_t *dst, const int8_t *src, int width, int height) {for (int j = 0; j < width; j++) {for (int i = 1; i <= height; i++) {*dst++ = *(src + i * width - j);}}auto *src_u = const_cast<int8_t *>(src + width * height);for (int j = 0; j < width / 2; j++) {for (int i = 1; i <= height / 2; i++) {*dst++ = *(src_u + i * width / 2 - j);}}auto *src_v = const_cast<int8_t *>(src + width * height * 5 / 4);for (int j = 0; j < width / 2; j++) {for (int i = 1; i <= height / 2; i++) {*dst++ = *(src_v + i * width / 2 - j);}}
}static void yuv420p_rotate(int8_t *dst, int8_t *src, int width, int height, int degree) {switch(degree) {case 0:memcpy(dst, src, width * height * 3 / 2);break;case 90:yuv420p_rotate90(dst, src, width, height);break;case 180:yuv420p_rotate180(dst, src, width, height);break;case 270:yuv420p_rotate270(dst, src, width, height);break;default:break;}
}