RGB和YUV 多媒體編程
一、概念
1.什麼是RGB？
對一種顏色進行編碼的方法統稱為“顏色空間”或“色域”。用最簡單的話說，世界上任何一種顏色的“顏色空間”都可定義成一個固定的數字或變量。RGB（紅、綠、藍）只是眾多顏色空間的一種。采用這種編碼方法，每種顏色都可用三個變量來表示-紅色綠色以及藍色的強度。記錄及顯示彩色圖像時，RGB是最常見的一種方案。
2.什麼是YUV？
YUV是被歐洲電視系統所采用的一種顏色編碼方法（屬於PAL），是PAL和SECAM模擬彩色電視制式采用的顏色空間。
在現代彩色電視系統中，通常采用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，然後把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正後得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度信號Y和兩個色差信號B－Y（即U）、R－Y（即V），最後發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。
由此可見，RGB和YUV都屬於顏色空間（或者叫“色彩空間”），如果不清楚色彩空間的概念。
二、RGB和YUV的優缺點
1.RGB缺乏與早期黑白顯示系統的良好兼容性。因此，許多電子電器廠商普遍采用的做法是，將RGB轉換成YUV顏色空間，以維持兼容，再根據需要換回RGB格式，以便在電腦顯示器上顯示彩色圖形。
2.YUV主要用於優化彩色視頻信號的傳輸，使其向後相容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優點在於只需占用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸）。
3.采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。
三、YUV和RGB的實現原理
1.RGB是從顏色發光的原理來設計定的，通俗點說它的顏色混合方式就好像有紅、綠、藍三盞燈，當它們的光相互疊合的時候，色彩相混，而亮度卻等於兩者亮度之總和，越混合亮度越高，即加法混合。
紅、綠、藍三盞燈的疊加情況，中心三色最亮的疊加區為白色，加法混合的特點：越疊加越明亮。
紅、綠、藍三個顏色通道每種色各分為256階亮度，在0時“燈”最弱——是關掉的，而在255時“燈”最亮。當三色灰度數值相同時，產生不同灰度值的灰色調，即三色灰度都為0時，是最暗的黑色調；三色灰度都為255時，是最亮的白色調。
RGB 顏色稱為加成色，因為您通過將 R、G 和 B 添加在一起（即所有光線反射回眼睛）可產生白色。加成色用於照明光、電視和計算機顯示器。例如，顯示器通過紅色、綠色和藍色熒光粉發射光線產生顏色。絕大多數可視光譜都可表示為紅、綠、藍 (RGB) 三色光在不同比例和強度上的混合。這些顏色若發生重疊，則產生青、洋紅和黃。
2.在YUV中，“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V” 表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用於指定像素的顏色。“亮度”是透過RGB輸入信號來建立的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起。“色度”則定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。
四、RGB和YUV的格式
1.RGB的格式
①網頁格式
②RGB555
③RGB565
④RGB24
⑤RGB32
2.YUV格式
YUV格式通常有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者將YUV分量存放在同一個數組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；而後者使用三個數組分開存放YUV三個分量，就像是一個三維平面一樣。
①YUY2（和YUYV）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節，實際表示2個像素。（4:2:2的意思實際上是一個宏像素中有2個Y分量、1個U分量和1個V分量。）圖像數據中YUV分量排列順序如下：
Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …
②YVYU格式跟YUY2類似，只是圖像數據中YUV分量的排列順序有所不同：
Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …
③ UYVY格式跟YUY2類似，只是圖像數據中YUV分量的排列順序有所不同：
U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …
④AYUV格式帶有一個Alpha通道，並且為每個像素都提取YUV分量，圖像數據格式如下：
A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …
⑤ Y41P（和Y411）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。一個宏像素為12個字節，實際表示8個像素。圖像數據中YUV分量排列順序如下：
U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y8 …
⑥ Y211格式在水平方向上Y分量每2個像素采樣一次，而UV分量每4個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節，實際表示4個像素。圖像數據中YUV分量排列順序如下：
Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …
⑦YVU9格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個4 x 4的宏塊，然後每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。圖像數據存儲時，首先是整幅圖像的Y分量數組，然後就跟著U分量數組，以及V分量數組。IF09格式與YVU9類似。
⑧IYUV格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個2 x 2的宏塊，然後每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。YV12格式與IYUV類似。
⑨YUV411、YUV420格式多見於DV數據中，前者用於NTSC制，後者用於PAL制。YUV411為每個像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。YUV420並非V分量采樣為0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減小一半色差采樣。
3.在DirectShow中，常見的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。
五、RGB和YUV轉換
對於數字視頻，定義了從 RGB 到兩個主要 YUV 的轉換。這兩個轉換都基於稱為 ITU-R Recommendation BT.709 的規范。
第一個轉換是 BT.709 中定義用於 50-Hz 的較早的 YUV 格式。它與在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的關系相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被稱為它的舊名稱 CCIR 601。這種格式應該被視為用於標准定義 TV分辨率(720 x 576) 和更低分辨率視頻的首選 YUV 格式。它的特征由下面兩個常量 Kr 和 Kb 的值來定義：
Kr = 0.299
Kb = 0.114
第二個轉換為 BT.709 中定義用於 60-Hz 的較新 YUV 格式，應該被視為用於高於 SDTV 的視頻分辨率的首選格式。它的特征由下面兩個不同的常量值來定義：
Kr = 0.2126
Kb = 0.0722
從 RGB 到 YUV 轉換的定義以下列內容開始：L = Kr * R + Kb * B + (1 – Kr – Kb) * G然後，按照下列方式獲得 YUV 值：
Y = floor(2^(M-8) * (219*(L–Z)/S + 16) + 0.5)
U = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) * (112*(B-L) / ((1-Kb)*S) + 128) + 0.5))
V = clip3(0, 2^M-1, floor(2^(M-8) * (112*(R-L) / ((1-Kr)*S) + 128) + 0.5))
其中，M 為每個 YUV 樣例的位數 (M >= 8)。
Z 為黑電平變量。對於計算機RGB，Z 等於 0。對於 studio視頻RGB，Z 等於 16*2，其中 N 為每個 RGB樣例的位數 (N >= 8)。S 為縮放變量。對於計算機RGB，S 等於 255。對於 studio視頻RGB，S 等於 219*2。
函數floor(x) 返回大於或等於 x 的最大整數。函數clip3(x, y, z) 的定義如下所示：
clip3(x, y, z) = ((z < x) ? x : ((z > y) ? y : z))Y 樣例表示亮度，U 和 V 樣例分別表示偏向藍色和紅色的顏色偏差。Y 的標稱范圍為 16*2 到 235*2 。黑色表示為 16*2 ，白色表示為 235*2 。U 和 V 的標稱范圍為 16*2 到 240*2 ，值 128*2 表示中性色度。但是，實際的值可能不在這些范圍之內。
對於 studio 視頻 RGB 形式的輸入數據，要使得 U 和 V 值保持在 0 到 2M-1 范圍之內，必需進行剪輯操作。如果輸入為計算機RGB，則不需要剪輯操作，這是因為轉換公式不會生成超出此范圍的值。
這些都是精確的公式，沒有近似值。
六、YUV的采樣格式
YUV的主要采樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。
其中YCbCr 4:1:1 比較常用，其含義為：每個點保存一個 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 個點保存一個 Cr 和Cb 值,圖像在肉眼中的感覺不會起太大的變化。所以， 原來用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1個點需要 8x3=24 bits（如下圖第一個圖），（全采樣後，YUV仍各占8bit）。按4:1:1采樣後，而現在平均僅需要 8+(8/4)+(8/4)=12bits（4個點，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bits）, 平均每個點占12bits(如下圖第二個圖)。這樣就把圖像的數據壓縮了一半。
上邊僅給出了理論上的示例，在實際數據存儲中是有可能是不同的，下面給出幾種具體的存儲形式：
（1） YUV 4:4:4
YUV三個信道的抽樣率相同，因此在生成的圖像裡，每個象素的三個分量信息完整（每個分量通常8比特），經過8比特量化之後，未經壓縮的每個像素占用3個字節。
下面的四個像素為: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的碼流為: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3
（2） YUV 4:2:2
每個色差信道的抽樣率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽樣率只是4:4:4的一半。對非壓縮的8比特量化的圖像來說，每個由兩個水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用4字節內存。
下面的四個像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的碼流為：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
映射出像素點為：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]
（3） YUV 4:1:1
4:1:1的色度抽樣，是在水平方向上對色度進行4:1抽樣。對於低端用戶和消費類產品這仍然是可以接受的。對非壓縮的8比特量化的視頻來說，每個由4個水平方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節內存。
下面的四個像素為: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的碼流為: Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3
映射出像素點為：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]
（4）YUV4:2:0
4:2:0並不意味著只有Y，Cb而沒有Cr分量。它指得是對每行掃描線來說，只有一種色度分量以2:1的抽樣率存儲。相鄰的掃描行存儲不同的色度分量，也就是說，如果一行是4:2:0的話，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此類推。對每個色度分量來說，水平方向和豎直方向的抽樣率都是2:1，所以可以說色度的抽樣率是4:1。對非壓縮的8比特量化的視頻來說，每個由2x2個2行2列相鄰的像素組成的宏像素需要占用6字節內存。
下面八個像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7U7 V7] [Y8 U8 V8]
存放的碼流為：Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3
Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8
映射出的像素點為：[Y0 U0 V5] [Y1 U0 V5] [Y2 U2 V7] [Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5] [Y6 U0 V5] [Y7U2 V7] [Y8 U2 V7]
完!
感謝閱讀，希望能幫助到大家，謝謝大家對本站的支持！