c++ ffmpeg 浅谈YUV444、YUV422、YUV420（2）

本期将会给大家介绍YUV相关基础知识，同时也介绍威创网络分布式系统的卓越色彩处理技术。

    1.什么是YUV色彩空间

    2.YUV采样格式

    3.YUV不同采样格式对图像画质的影响分析

一、什么是YUV色彩空间?

        YUV是视频、图片、相机等应用中常常使用的一类图像格式，是所有“YUV”像素格式共有的颜色空间的名称。与RGB格式（红-绿-蓝）不同，YUV格式用一个称为Y（相当于灰度）的“亮度”分量和两个“色度”分量表示，分别称为U（蓝色投影）和V（红色投影）。对于同一个观测像素点，在RGB空间和YUV空间可进行了不同角度的表示，两者满足单射线性变换，两者可以通过线性变换公式进行转换，如图1所示。

图1 RGB空间与YUV空间

YUV也可以称为YCbCr，虽然这些术语定义略有不同，但它们往往会混淆并可互换使用。

    Y表示亮度分量：如果只显示Y的话，图像看起来会是一张黑白照。

    U（Cb）表示色度分量：B－Y，图像蓝色部分去掉亮度,反映了RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

    V（Cr）表示色度分量：R－Y，图像红色部分去掉亮度,反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

    二、YUV采样格式

    从前述定义中，可以了解YUV空间描述RGB空间的像素颜色按“亮度”分量和两个“色度”分量进行了表示。这种编码表示也更加适应于人眼，据研究表明，人眼对亮度信息比色彩信息更加敏感。而YUV下采样就是根据人眼的特点，将人眼相对不敏感的色彩信息进行压缩采样，得到相对小的文件进行播放和传输。

    1）YUV444

    色度信号分辨率最高的格式是YUV4:4:4，每4点Y采样，就有相对应的4点U和4点V。换句话说，每个Y值对应一个U和一个V值。在这种格式中，色度信号的分辨率和亮度信号的分辨率是相同的。这种格式主要应用在视频处理设备内部，避免画面质量在处理过程中降低。

图2 YUV444采样格式

    一种简单的YUV444区分方法：如图2所示，4个Y值，第1行获得4组UV色度值（如像素1、2、3、4均可独立表示），第2行也获得4组UV色度值（如像素5、6、7、8均可独立表示）。

 2）YUV422

    色度信号分辨率格式YUV4:2:2，每4点Y采样，就有相对应的2点U和2点V。可以看到在水平方向上的色度表示进行了2倍下采样，因此YUV422色度信号分辨率是亮度信号分辨率的一半。

    图3 YUV422采样格式

    一种简单的YUV422区分方法：如图3所示，4个Y值，第1行获得2组UV色度值（其中像素1、2合并为1组UV值表示，3、4合并为1组），第2行获得2组UV色度值（其中像素5、6合并为1组，7、8合并为1组）。

    3）YUV420

    色度信号分辨率格式YUV4:2:0，每4点Y采样，就有相对应的1点U和1点V。YUV420色度信号分辨率是亮度信号分辨率的1/4。

    图4 YUV420采样格式

    一种简单的YUV420区分方法：如图4所示，4个Y值，第1行获得2组UV色度值（其中1、2合并为1组，3、4合并为1组），第2行获得0组UV色度值（5-8像素的色度值全丢弃）。即在水平方向压缩的基础上，再在垂直方向上再进行了压缩。

    三、YUV不同采样格式对图像画质的影响分析

    根据前述的YUV采样格式分析，这里我们分析一下对图像画质的影响。我们将一个原始图像为8*8像素的红蓝相间的图案，分别按YUV444、YUV422、YUV420不同的采用格式采样，然后再还原输出。

    图5(a)：我们可以看到YUV444的色度信号的分辨率和亮度信号的分辨率无损失，我们获得了与原始图案一致的还原画面图案。

    图5(b)：YUV422获得还原图案在水平方向上，已经出现了丢失，从绿色所框选的像素来看，YUV422在水平方向上丢失了另一个像素点的色彩值，故在画面还原时仅是对前一个像素值简单的复制重构。

    图5(c)：YUV420获得还原图案在水平方向以及垂直方向上，均出现了丢失，获得的还原图像与原始图像出现很大的失真。

图5 YUV不同采样格式对图像画质

    由图5所示的直观观测，对图像高频细节的图像表达上，YUV444优于YUV422，YUV422优于YUV420。

    在信号传输带宽的节省上，YUV420效率优于YUV444，YUV422优于YUV444。因此在普通的视频编解码算法上，为节省传输带宽开销，普遍采用YUV420或者YUV422的采样格式。