原创 YUV 与 RGB相互转换

2009-9-17 17:34 7369 1 1 分类: 消费电子
YUV 与 RGB相互转换



今天对颜色一些格式转换有些不明白的地方,在网上找了一些文章,感谢原作者,现张贴如下:

颜色空间是一个三维坐标系统,每一种颜色由一个点表示。在 RGB 颜色空间中,红,绿,蓝是基本元素。RGB 格式是显示器通常使用的格式。在 YUV 空间中,每一个颜色有一个亮度信号 Y,和两个色度信号 U 和 V。亮度信号是强度的感觉,它和色度信号断开,这样的话强度就可以在不影响颜色的情况下改变。YUV 格式通常用于 PAL制,即欧洲的电视传输标准,而且缺省情况下是图像和视频压缩的标准。

YUV 使用RGB的信息,但它从全彩色图像中产生一个黑白图像,然后提取出三个主要的颜色变成两个额外的信号来描述颜色。把这三个信号组合回来就可以产生一个全彩色图像。

YUV 使用红,绿,蓝的点阵组合来减少信号中的信息量。Y 通道描述 Luma 信号,它与亮度信号有一点点不同,值的范围介于亮和暗之间。 Luma 是黑白电视可以看到的信号。U (Cb) 和 V (Cr) 通道从红 (U) 和蓝 (V) 中提取亮度值来减少颜色信息量。这些值可以从新组合来决定红,绿和蓝的混合信号。

YUV和RGB的转换:    ★这里是不是不是yuv而是Y Cb Cr???★
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B
U = -0.1687 R - 0.3313 G + 0.5 B + 128
V = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B + 128

R = Y + 1.402 (V-128)
G = Y - 0.34414 (U-128) - 0.71414 (V-128)
B = Y + 1.772 (U-128)
以前,一直没明白yuv和YcbCr之间的差异,想必有些朋友也会有同样的疑惑。所以,我看完之后就记载下来了。
一、和rgb之间换算公式的差异

yuv<-->rgb  
  
Y'= 0.299*R' + 0.587*G' + 0.114*B'
U'= -0.147*R' - 0.289*G' + 0.436*B' = 0.492*(B'- Y')
V'= 0.615*R' - 0.515*G' - 0.100*B' = 0.877*(R'- Y')
R' = Y' + 1.140*V'
G' = Y' - 0.394*U' - 0.581*V'
B' = Y' + 2.032*U'

yCbCr<-->rgb

Y’ = 0.257*R' + 0.504*G' + 0.098*B' + 16
Cb' = -0.148*R' - 0.291*G' + 0.439*B' + 128
Cr' = 0.439*R' - 0.368*G' - 0.071*B' + 128
R' = 1.164*(Y’-16) + 1.596*(Cr'-128)
G' = 1.164*(Y’-16) - 0.813*(Cr'-128) - 0.392*(Cb'-128)
B' = 1.164*(Y’-16) + 2.017*(Cb'-128)

Note: 上面各个符号都带了一撇,表示该符号在原值基础上进行了gamma correction

二、来源上的差异

yuv色彩模型来源于rgb模型,该模型的特点是将亮度和色度分离开,从而适合于图像处理领域。
应用:basic color model used in analogue color TV broadcasting.用在模拟彩色电视广播的基本颜色模型中

YCbCr模型来源于yuv模型。YCbCr is a scaled and offset version of the YUV color space.
应用:数字视频,ITU-R BT.601 recommendation

ps:
通过上面的比较可以确定,我们在h.264,mpeg等编码标准中用的yuv其实是YcbCr,大家不要被名称搞混淆了。
 

 

人类视觉系统(HVS)相比亮度来说对于颜色不是那么敏感的。在RGB颜色空间中,三种颜色被平等地看待,并用相同的分辨率
存放起来。但是通过把亮度与颜色信息分离,并对亮度值取更高的分辨率可以更有效地表示一个颜色图像。

YCbCr颜色空间和它的变换(通常写为YUV)是一种流行而高效的表示一个颜色图像的方法。Y是亮度值,由R,G,B的加权平均可以
得到: Y="krR" + kgG + kbB
这里k是加权因子。

颜色信号可以由不同的颜色差别来表示:
Cb = B-Y
Cr = R-Y
Cg = G-Y
对于一个颜色图像的完整的描述由给定Y和三个色差:Cb,Cr,Cg来表示。

目前为止,我们的表示方法好像并不那么好,因为相比RGB表示来说,我们这次用了四个参数。然后Cb+Cr+Cg是一个常数,那么
我们只需要两个色度参数就可以了,第三个可以通过其他两个计算出来。在YCbCr空间中,只有Y和Cb,Cr值被传输和存储,而且
Cb和Cr的分辨率可以比Y低,因为人类视觉系统对于亮度更加敏感。这就减少了表示图像的数据量。通常的观察情况下,RGB和
YCbCr表示的图像看上去没有什么不同。对于色度采用比亮度低的分辨率进行采样是一种简单而有效的压缩办法。

一个RGB图像可以在捕捉之后转换为YCbCr格式用来减少存储和传输负担。在显示图象之前,再转回为RGB.注意没有必要去指明
分别的加权值kg(因为kb+kr+kg=1),而且G可以从YCbCr中解压出来,这说明不需要存储和传输Cg参数。

Y = kr R + (1-kb-kr)G + kb B
Cb = 0.5/(1-kb) * (B-Y)
Cr = 0.5/(1-kr) * (R-Y)

R = Y + (1-kr)/0.5 * Cr
G = Y - 2kb(1-kb)/(1-kb-kr) * Cb - 2kr(1-kr)/(1-kb-kr) * Cr
B = Y + (1-kb)/0.5 * Cb

ITU-R的BT.601决议定义了kb=0.114,kr=0.299,那么代换参数就有了如下等式:

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
Cb = 0.564(B - Y )
Cr = 0.713(R - Y )

R = Y + 1.402Cr
G = Y - 0.344Cb - 0.714Cr
B = Y + 1.772Cb

2.4.3 YCbCr采样格式

4:4:4采样就是说三种元素Y,Cb,Cr有同样的分辨率,这样的话,在每一个像素点上都对这三种元素进行采样.数字4是指在水平方向
上对于各种元素的采样率,比如说,每四个亮度采样点就有四个Cb的Cr采样值.4:4:4采样完整地保留了所有的信息值.4:2:2采样中
(有时记为YUY2),色度元素在纵向与亮度值有同样的分辨率,而在横向则是亮度分辨率的一半(4:2:2表示每四个亮度值就有两个Cb
和Cr采样.)4:2:2视频用来构造高品质的视频彩色信号.

在流行的4:2:0采样格式中(常记为YV12)Cb和Cr在水平和垂直方向上有Y分辨率的一半.4:2:0有些不同,因为它并不是指在实际采样
中使用4:2:0,而是在编码史中定义这种编码方法是用来区别于4:4:4和4:2:2方法的).4:2:0采样被广泛地应用于消费应用中,比如
视频会议,数字电视和DVD存储中。因为每个颜色差别元素中包含了四分之一的Y采样元素量,那么4:2:0YCbCr视频需要刚好4:4:4
或RGB视频中采样量的一半。

4:2:0采样有时被描述是一个"每像素12位"的方法。这么说的原因可以从对四个像素的采样中看出.使用4:4:4采样,一共要进行12次
采样,对每一个Y,Cb和Cr,就需要12*8=96位,平均下来要96/4=24位。使用4:2:0就需要6*8=48位,平均每个像素48/4=12位。

在一个4:2:0隔行扫描的视频序列中,对应于一个完整的视频帧的Y,Cb,Cr采样分配到两个场中。可以得到,隔行扫描的总采样数跟
渐进式扫描中使用的采样数目是相同的。

2.5 视频格式
这本书中描述的视频压缩标准可以压缩很多种视频帧格式。实际中,捕捉或转化一个中间格式或一系列中间格式是很平常的事情。
CIF就是一种常见的流行的格式,并由它衍生出了4CIF和Sub-QCif。帧分辨率的选择取决于应用程序,可使用的存储量以及传输带宽
。比如说4CIF对于标准定义的电视和DVD视频来说是合适的,CIF和QCIF在视频会议中是常被使用的格式。QCIF和SQCIF对于移动设备
的多媒体程序来说是合适的,在这样的情况下,显示分辨率和码率都是有限的。以下是各种格式的具体使用位数的需求(使用4:2:0
采样,对于每个元素用8个位大小表示):

格式: Sub-QCIF 亮度分辨率: 128*96 每帧使用的位: 147456
格式: QCIF 亮度分辨率: 176*144 每帧使用的位: 304128
格式: CIF 亮度分辨率: 352*288 每帧使用的位: 1216512
格式: 4CIF 亮度分辨率: 704*576 每帧使用的位: 4866048


一种在电视信号中被应用的很广的数字视频信号编码格式就是ITU-R的BT.601-5 提案。亮度元素被在13.5MHz下采样,而亮度值则
在6.75MHz下采样,这样就形成了一个4:2;2的Y:Cb:Cr采样结果。采样数字信号的参数取决于视频码率(对于NTSC来说是30Hz,对于
PAL/SECAM来说是25Hz)。NTSC的30Hz是对低空间分辨率的补偿,这样总的码率就是216Mbps.实际显示的激活部分的区域要比总量小
,因为它去掉了在一帧边缘处的水平和垂直空白间隔。
每一个采样都有0-255的采样范围。0和255两个等级被留作同步,而且激活的亮度信号被限制到26(黑色)到235(白色)之间.

 

 

YUV

视频编解码器功能
视频编码器要求YUV4:2:0格式的视频输入,因此可能根据应用需要进行视频输入的预处理,即对YUV4:2:2隔行扫描(例如从摄像机)到YUV 4:2:0非隔行扫描转换,仅抽取但不过滤UV分。对视频解码器而言,还需要进行后处理,以将解码的YUV 4:2:0数据转换为RGB进行显示,包括:YUV 4:2:0到RGB转换;16位或12位RGB显示格式;0到90度旋转,实现横向或纵向显示。此外,视频编解码器通常还要求具有以下功能和特性:
支持MPEG-4简单类 0、1 与 2 级;
兼容H.263与 MPEG-4 编解码标准;
MPEG-4视频解码器支持的可选项有:AC/DC预测、可逆可变长度编码(RVLC)、再同步标志(RM)、数据分割(DP)、错误隐藏专利技术、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、自由运动补偿、解码VOS层;
MPEG-4视频编码器选项有:RVLC、RM、DP、支持每个宏块4个运动矢量(4MV)、报头扩展码、支持编码期间码率改变、支持编码期间编码帧率改变、插入或不插入可视对象序列起始码;
支持编码期间序列中插入I帧;
支持编码器自适应帧内刷新(AIR);
支持多编解码器,可用相同代码运行多个编解码器实例。

RGB

红绿蓝(RGB)是计算机显示的基色,RGB565支持的色深可编程至高达每像素16位,即 RGB565(红色5位,绿色6位,蓝色5位)。

YCbCr


在DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中,常用的色彩编码方案是YCbCr,其中Y是指亮度分量,Cb指蓝色色度分量,而Cr指红色色度分量。人的肉眼对视频的Y分量更敏感,因此在通过对色度分量进行子采样来减少色度分量后,肉眼将察觉不到的图像质量的变化。主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。
4:2:0表示每4个像素有4个亮度分量,2个色度分量 (YYYYCbCr),仅采样奇数扫描线,是便携式视频设备(MPEG-4)以及电视会议(H.263)最常用格式;4:2:2表示每4个像素有4个亮度分量,4个色度分量(YYYYCbCrCbCr),是DVD、数字电视、HDTV 以及其它消费类视频设备的最常用格式;4:4:4表示全像素点阵(YYYYCbCrCbCrCbCrCbCr),用于高质量视频应用、演播室以及专业视频产品。

 

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