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YUV格式简介

数字视频常用YUV格式来压缩。本文讲述了YUV视频的一些基本概念,不涉及YUV压缩处理计算。

在电脑图形中我们常会遇到RGB颜色。RGB中的红绿蓝直接分别对应了可见光的部分。

RGB值能建立一个精确的数字坐标系统,称作颜色空间(color space)。红色部分定义了坐标系中的一个轴。 其次是绿色和蓝色。如下图所示。所有有效的RGB值都在这个颜色空间里。

例如洋红色(pure magenta)是 100% blue,100% red, 和 0% green.

颜色空间

RGB是代表颜色的一种方式。其它坐标系也可以代表颜色。

YUV是将亮度信息和颜色信息分别编码的一系列颜色空间的统称。和RGB相似,YUV使用3个值来表示颜色。 这3个值称为Y',U,和V。 (事实上,YUV这个称呼在电脑视频中总是指代Y'CbCr。然而在本文中YUV经常用来指代和Y'CbCr相同原理的颜色空间)

Y'部分,也称作luma,代表颜色中的亮度值。这个记号(')是用来与称为Y的luminance(亮度)作区别的。

luminance可从线性RGB值中导出,luma从非线性(gamma-corrected)RGB值中导出。 luminance更接近真实亮度,但luma在技术上更常用。 点记号(')通常被忽略,但YUV颜色空间总是使用luma。

标准定义电视中,luma计算公式为:

Y' = 0.299R + 0.587G + 0.114B

这个公式揭示了人眼对于特定波长的光更为敏感。蓝色是最暗淡的,绿色是最明亮的,红色处于两者之间。 这个公式也影响了早期电视使用的荧光粉。

现代电视技术使用了更新的公式,用于高清电视

Y' = 0.2125R + 0.7154G + 0.0721B

公式相关定义可查询ITU-R BT.601

U和V部分,称为色度值或颜色区分值。由以下公式计算:

U = B - Y'
V = R - Y'

这些值能够完整地还原回RBG值。

YUV的优点

由于历史原因,模拟电视部分使用了YUV格式。模拟彩色电视信号能够兼容以前的黑白电视。 彩色电视信号携带着色度值(U和V)与灰度值。黑白电视忽略色度值,显示出灰度图片。 彩色电视可以提取出色度信息并将信号还原回RGB。

在今天YUV有着另一个优点。相比于亮度的变换,人眼对于色彩的变换更迟钝。那么一张图片中,可以少存放一些色度信息。 例如,通常可以将同水平线(horizontal resolution)上的色度值降为亮度值的一半。 换言之,一行像素中,每2个亮度值共用1个U和V值。 假设每个值是8位,每2个像素需要4个字节来表示(2个Y',1个U和1个V)。平均下来每个像素用16位来表示。 相当于损失了30%的24位RGB编码。

YUV并没有压缩RGB信息。除非色度值被降低采样率。一个YUV像素和一个RGB像素有着相同的大小。 从RGB换算成YUV并没有损失信息。若没有降采样率,一个YUV像素可以无损地转换回RGB像素。 降低采样率会损失一些颜色信息但能让YUV图像更小。如果处理得当,这种损失是可以接受的。

计算机视频中的YUV

上面的YUV并不是数字视频中最准确的转换方式。数字视频通常使用一种称为Y'CbCr的YUV格式。 通常,Y'CbCr对于YUV的范围是:

Y'     16–235
Cb/Cr  16–240, with 128 representing zero

上面这些范围以8位Y'CbCr为前提。 接下来是Y'CbCr的计算过程,使用BT.601的luma定义。

  1. RGB值范围是[0,1]。换言之纯黑是0,纯白是1.这些是非线性的RGB值。
  2. 计算luma。BT.601中,Y' = 0.299R + 0.587G + 0.114B,如前文所述。
  3. 计算色度值(B - Y') 和 (R - Y')。这些值范围, (B - Y')范围是 +/- 0.886;(R - Y')范围是+/- 0.701
  4. 缩放色度值
Pb = (0.5 / (1 - 0.114)) × (B - Y')
Pr = (0.5 / (1 - 0.299)) × (R - Y')

这里的缩放因子的设计目的是为了计算得到同样的范围,+/- 0.5。 它们定义了一个称为Y'PbPr的YUV颜色空间。这种颜色空间用于模拟信号视频。 5. 通过Y'PbPr计算出Y'CbCr

Y' = 16 + 219 × Y'
Cb = 128 + 224 × Pb
Cr = 128 + 224 × Pr

计算得到的值的取值范围就是前面所列的Y'CbCr范围。当然也可以直接将RGB值转换为Y'CbCr

参考

About YUV Video - MSDN

Recommended 8-Bit YUV Formats for Video Rendering - MSDN