RGB,YUV顔色空間簡介

計算機彩色顯示器顯示色彩的原理與彩色電視機一樣，都是采用R（Red）、G（Green）、B（Blue）相加混色的原理：通過發射出三種不同強度的電子束，使螢幕内側覆寫的紅、綠、藍磷光材料發光而産生色彩。這種色彩的表示方法稱為RGB色彩空間表示（它也是多媒體計算機技術中用得最多的一種色彩空間表示方法）。

  根據三基色原理，任意一種色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成。

F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]

  其中，r、g、b分别為三基色參與混合的系數。當三基色分量都為0（最弱）時混合為黑色光；而當三基色分量都為k（最強）時混合為白色光。調整r、g、b三個系數的值，可以混合出介于黑色光和白色光之間的各種各樣的色光。

  那麼YUV又從何而來呢？在現代彩色電視系統中，通常采用三管彩色錄影機或彩色CCD錄影機進行攝像，然後把攝得的彩色圖像信号經分色、分别放大校正後得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度信号Y和兩個色差信号R－Y（即U）、B－Y（即V），最後發送端将亮度和色差三個信号分别進行編碼，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。

  采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分離的。如果隻有Y信号分量而沒有U、V分量，那麼這樣表示的圖像就是黑白灰階圖像。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信号Y解決彩色電視機與黑白電視機的相容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信号。

 YUV與RGB互相轉換的公式（RGB取值範圍均為0-255）： Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -0.147R - 0.289G + 0.436B V = 0.615R - 0.515G - 0.100B

R = Y + 1.14V G = Y - 0.39U - 0.58V B = Y + 2.03U

常見的RGB和YUV格式： 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。

      GUID                                         格式描述 MEDIASUBTYPE_RGB1    2色，每個像素用1位表示，需要調色闆 MEDIASUBTYPE_RGB4    16色，每個像素用4位表示，需要調色闆 MEDIASUBTYPE_RGB8    256色，每個像素用8位表示，需要調色闆 MEDIASUBTYPE_RGB565    每個像素用16位表示，RGB分量分别使用5位、6位、5位 MEDIASUBTYPE_RGB555    每個像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下的1位不用） MEDIASUBTYPE_RGB24    每個像素用24位表示，RGB分量各使用8位 MEDIASUBTYPE_RGB32    每個像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位不用） MEDIASUBTYPE_ARGB32    每個像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位用于表示Alpha通道值）

打包格式YUV MEDIASUBTYPE_YUY2    YUY2格式，以4:2:2方式打包 MEDIASUBTYPE_YUYV    YUYV格式（實際格式與YUY2相同） MEDIASUBTYPE_YVYU    YVYU格式，以4:2:2方式打包 MEDIASUBTYPE_UYVY    UYVY格式，以4:2:2方式打包 MEDIASUBTYPE_AYUV    帶Alpha通道的4:4:4 YUV格式 MEDIASUBTYPE_Y41P    Y41P格式，以4:1:1方式打包 MEDIASUBTYPE_Y411    Y411格式（實際格式與Y41P相同） MEDIASUBTYPE_Y211    Y211格式

平面格式YUV MEDIASUBTYPE_IF09    IF09格式 MEDIASUBTYPE_IYUV    IYUV格式 MEDIASUBTYPE_YV12    YV12格式 MEDIASUBTYPE_YVU9    YVU9格式

下面分别介紹上述各種RGB格式：

        RGB1、RGB4、RGB8都是調色闆類型的RGB格式，在描述這些媒體類型的格式細節時，通常會在BITMAPINFOHEADER資料結構後面跟着一個調色闆（定義一系列顔色）。它們的圖像資料并不是真正的顔色值，而是目前像素顔色值在調色闆中的索引。以RGB1（2色位圖）為例，比如它的調色闆中定義的兩種顔色值依次為0x000000（黑色）和0xFFFFFF（白色），那麼圖像資料001101010111…（每個像素用1位表示）表示對應各像素的顔色為：黑黑白白黑白黑白黑白白白…。

        RGB565使用16位表示一個像素，這16位中的5位用于R，6位用于G，5位用于B。程式中通常使用一個字（WORD，一個字等于兩個位元組）來操作一個像素。當讀出一個像素後，這個字的各個位意義如下：      高位元組              低位元組 R R R R R G G G     G G G B B B B B 可以組合使用屏蔽字和移位操作來得到RGB各分量的值：

#define RGB565_MASK_RED    0xF800 #define RGB565_MASK_GREEN  0x07E0 #define RGB565_MASK_BLUE   0x001F R = (wPixel & RGB565_MASK_RED) >> 11;   // 取值範圍0-31 G = (wPixel & RGB565_MASK_GREEN) >> 5;  // 取值範圍0-63 B =  wPixel & RGB565_MASK_BLUE;         // 取值範圍0-31

        RGB555是另一種16位的RGB格式，RGB分量都用5位表示（剩下的1位不用）。使用一個字讀出一個像素後，這個字的各個位意義如下：      高位元組             低位元組 X R R R R G G       G G G B B B B B       （X表示不用，可以忽略） 可以組合使用屏蔽字和移位操作來得到RGB各分量的值：

#define RGB555_MASK_RED    0x7C00 #define RGB555_MASK_GREEN  0x03E0 #define RGB555_MASK_BLUE   0x001F R = (wPixel & RGB555_MASK_RED) >> 10;   // 取值範圍0-31 G = (wPixel & RGB555_MASK_GREEN) >> 5;  // 取值範圍0-31 B =  wPixel & RGB555_MASK_BLUE;         // 取值範圍0-31

        RGB24使用24位來表示一個像素，RGB分量都用8位表示，取值範圍為0-255。注意在記憶體中RGB各分量的排列順序為：BGR BGR BGR…。通常可以使用RGBTRIPLE資料結構來操作一個像素，它的定義為：

typedef struct tagRGBTRIPLE {    BYTE rgbtBlue;    // 藍色分量   BYTE rgbtGreen;   // 綠色分量   BYTE rgbtRed;     // 紅色分量 } RGBTRIPLE;

        RGB32使用32位來表示一個像素，RGB分量各用去8位，剩下的8位用作Alpha通道或者不用。（ARGB32就是帶Alpha通道的RGB32。）注意在記憶體中RGB各分量的排列順序為：BGRA BGRA BGRA…。通常可以使用RGBQUAD資料結構來操作一個像素，它的定義為：

typedef struct tagRGBQUAD {   BYTE    rgbBlue;      // 藍色分量   BYTE    rgbGreen;     // 綠色分量   BYTE    rgbRed;       // 紅色分量   BYTE    rgbReserved;  // 保留位元組（用作Alpha通道或忽略） } RGBQUAD;

下面介紹各種YUV格式：

“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；“亮度”是透過RGB輸入信号來建立的，方法是将RGB信号的特定部分疊加到一起。

“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，用于指定像素的顔色。“色度”則定義了顔色的兩個方面─色調與飽和度，分别用Cr和CB來表示。其中，Cr反映了GB輸入信号紅色部分與RGB信号亮度值之間的差異。而CB反映的是RGB輸入信号藍色部分與RGB信号亮度值之同的差異。

主要的采樣格式有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：每個點儲存一個 8bit 的亮度值(也就是Y值)，每 2x2 個點儲存一個 Cr 和Cb 值, 圖像在肉眼中的感覺不會起太大的變化。是以， 原來用 RGB(R，G，B 都是 8bit unsigned) 模型， 1個點需要 8x3=24 bites，（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)=12bites（4個點，8*4（Y）+8(U)+8(V)=48bit）, 平均每個點占12bites。這樣就把圖像的資料壓縮了一半。

 上邊僅給出了理論上的示例，在實際資料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，是以在生成的圖像裡，每個象素的三個分量資訊完整（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個位元組。

　　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，是以水準方向的色度抽樣率隻是4:4:4的一半。對非壓縮的8比特量化的圖像來說，每個由兩個水準方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用4位元組記憶體。

　　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，是在水準方向上對色度進行4:1抽樣。對于低端使用者和消費類産品這仍然是可以接受的。對非壓縮的8比特量化的視訊來說，每個由4個水準方向相鄰的像素組成的宏像素需要占用6位元組記憶體。

　　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并不意味着隻有Y，Cb而沒有Cr分量。它指得是對每行掃描線來說，隻有一種色度分量以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，水準方向和豎直方向的抽樣率都是2:1，是以可以說色度的抽樣率是4:1。對非壓縮的8比特量化的視訊來說，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位元組記憶體。

　　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]

YUV格式通常有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。

前者将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。

表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介紹各種具體格式時，YUV各分量都會帶有下标，如Y0、U0、V0表示第一個像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二個像素的YUV分量，以此類推。）

¨ YUY2（和YUYV）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水準方向上每兩個像素采樣一次。一個宏像素為4個位元組，實際表示2個像素。（4:2:2的意思為一個宏像素中有4個Y分量、2個U分量和2個V分量。）圖像資料中YUV分量排列順序如下：

　　Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …

　　¨ YVYU格式跟YUY2類似，隻是圖像資料中YUV分量的排列順序有所不同：

　　Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …

　　¨ UYVY格式跟YUY2類似，隻是圖像資料中YUV分量的排列順序有所不同：

　　U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …

　　¨ AYUV格式帶有一個Alpha通道，并且為每個像素都提取YUV分量，圖像資料格式如下：

　　A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …

　　¨ Y41P（和Y411）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水準方向上每4個像素采樣一次。一個宏像素為12個位元組，實際表示8個像素。圖像資料中YUV分量排列順序如下：

　　U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y8 …

　　¨ Y211格式在水準方向上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個位元組，實際表示4個像素。圖像資料中YUV分量排列順序如下：

　　Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …

　　¨ YVU9格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先将圖像分成若幹個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。圖像資料存儲時，首先是整幅圖像的Y分量數組，然後就跟着U分量數組，以及V分量數組。IF09格式與YVU9類似。

　　¨ IYUV格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先将圖像分成若幹個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。

　　¨ YUV411、YUV420格式多見于DV資料中，前者用于NTSC制，後者用于PAL制。YUV411為每個像素都提取Y分量，而UV分量在水準方向上每4個像素采樣一次。YUV420并非V分量采樣為0，而是跟YUV411相比，在水準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，如上圖所示。