YUV/RGB

工作中经常会使用一些颜色空间&＃xff0c;最主要的就是使用RGB空间和YUV空间&＃xff0c;把两空间的一些知识记录在此。

1. 什么是RGB&＃xff1f;
RGB是红绿蓝三原色的意思&＃xff0c;R&＃61;Red、G&＃61;Green、B&＃61;Blue。
2.什么是YUV/YCbCr/YPbPr&＃xff1f;
亮度信号经常被称作Y&＃xff0c;色度信号是由两个互相独立的信号组成。视颜色系统和格式不同&＃xff0c;两种色度信号经常被称作U和V或Pb和Pr或Cb和Cr。这些都是由不同的编码格式所产生的&＃xff0c;但是实际上&＃xff0c;他们的概念基本相同。在DVD中&＃xff0c;色度信号被存储成Cb和Cr&＃xff08;C代表颜色&＃xff0c;b代表蓝色&＃xff0c;r代表红色&＃xff09;。
3.什么是4:4:4、4:2:2、4:2:0&＃xff1f;
在 最近十年中&＃xff0c;视频工程师发现人眼对色度的敏感程度要低于对亮度的敏感程度。在生理学中&＃xff0c;有一条规律&＃xff0c;那就是人类视网膜上的视网膜杆细胞要多于视网膜锥细 胞&＃xff0c;说得通俗一些&＃xff0c;视网膜杆细胞的作用就是识别亮度&＃xff0c;而视网膜锥细胞的作用就是识别色度。所以&＃xff0c;你的眼睛对于亮和暗的分辨要比对颜色的分辨精细一些。正是 因为这个&＃xff0c;在我们的视频存储中&＃xff0c;没有必要存储全部颜色信号。既然眼睛看不见&＃xff0c;那为什么要浪费存储空间&＃xff08;或者说是金钱&＃xff09;来存储它们呢&＃xff1f;
像Beta或VHS之类的消费用录像带就得益于将录像带上的更多带宽留给黑—白信号&＃xff08;被称作“亮度”&＃xff09;&＃xff0c;将稍少的带宽留给彩色信号&＃xff08;被称作“色度”&＃xff09;。
在MPEG2&＃xff08;也就是DVD使用的压缩格式&＃xff09;当中&＃xff0c;Y、Cb、Cr信号是分开储存的&＃xff08;这就是为什么分量视频传输需要三条电缆&＃xff09;。其中Y信号是黑白信号&＃xff0c;是以全分辨率存储的。但是&＃xff0c;由于人眼对于彩色信息的敏感度较低&＃xff0c;色度信号并不是用全分辨率存储的。
色度信号分辨率最高的格式是4:4:4&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;每4点Y采样&＃xff0c;就有相对应的4点Cb和4点Cr。换句话说&＃xff0c;在这种格式中&＃xff0c;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&＃xff0c;避免画面质量在处理过程中降低。当图像被存储到Master Tape&＃xff0c;比如D1或者D5&＃xff0c;的时候&＃xff0c;颜色信号通常被削减为4:2:2。

在图中&＃xff0c;你可以看到4:4:4格式的亮度、色度采样分布。就像图中所表示的&＃xff0c;画面中每个象素都有与之对应的色度和亮度采样信息。
其次就是4:2:2&＃xff0c;就是说&＃xff0c;每4点Y采样&＃xff0c;就有2点Cb和2点Cr。在这种格式中&＃xff0c;色度信号的扫描线数量和亮度信号一样多&＃xff0c;但是每条扫描线上的色度采样点 数却只有亮度信号的一半。当4:2:2信号被解码的时候&＃xff0c;“缺失”的色度采样&＃xff0c;通常由一定的内插补点算法通过它两侧的色度信息运算补充。
看4:2:2格式亮度、色度采样的分布情况。在这里&＃xff0c;每个象素都有与之对应的亮度采样&＃xff0c;同时一半的色度采样被丢弃&＃xff0c;所以我们看到&＃xff0c;色度采样信号每隔 一个采样点才有一个。当着张画面显示的时候&＃xff0c;缺少的色度信息会由两侧的颜色通过内插补点的方式运算得到。就像上面提到的那样&＃xff0c;人眼对色度的敏感程度不如亮 度&＃xff0c;大多数人并不能分辨出4:2:2和4:4:4颜色构成的画面之间的不同。

色度信号分辨率最低的格式&＃xff0c;也就是DVD所使用的 格式&＃xff0c;就是4:2:0了。事实上4:2:0是一个混乱的称呼&＃xff0c;按照字面上理解&＃xff0c;4:2:0应该是每4点Y采样&＃xff0c;就有2点Cb和0点Cr&＃xff0c;但事实上完全不是 这样。事实上&＃xff0c;4:2:0的意思是&＃xff0c;色度采样在每条横向扫描线上只有亮度采样的一半&＃xff0c;扫描线的条数上&＃xff0c;也只有亮度的一半&＃xff01;换句话说&＃xff0c;无论是横向还是纵向&＃xff0c; 色度信号的分辨率都只有亮度信号的一半。举个例子&＃xff0c;如果整张画面的尺寸是720*480&＃xff0c;那么亮度信号是720*480&＃xff0c;色度信号只有360*240。在 4:2:0中&＃xff0c;“缺失”的色度采样不单单要由左右相邻的采样通过内插补点计算补充&＃xff0c;整行的色度采样也要通过它上下两行的色度采样通过内插补点运算获得。这 样做的原因是为了最经济有效地利用DVD的存储空间。诚然&＃xff0c;4:4:4的效果很棒&＃xff0c;但是如果要用4:4:4存储一部电影&＃xff0c;我们的DVD盘的直径至少要有两 英尺&＃xff08;六十多厘米&＃xff09;&＃xff01;
上图表示了概念上4:2:0颜色格式非交错画面中亮度、色度采样信号的排列情况。同4:2:2格式 一样&＃xff0c;每条扫描线中&＃xff0c;只有一半的色度采样信息。与4:2:2不同的是&＃xff0c;不光是横向的色度信息被“扔掉”了一半&＃xff0c;纵向的色度信息也被“扔掉”了一半&＃xff0c;整个屏 幕中色度采样只有亮度采样的四分之一。请注意&＃xff0c;在4:2:0颜色格式中&＃xff0c;色度采样被放在了两条扫描线中间。为什么会这样呢&＃xff1f;很简单&＃xff1a;DVD盘上的颜色采样 是由其上下两条扫描线的颜色信息“平均”而来的。比如&＃xff0c;图三中&＃xff0c;第一行颜色采样&＃xff08;Line 1和Line 2中间夹着的那行&＃xff09;是由Line 1和Line 2“平均”得到的&＃xff0c;第二行颜色采样&＃xff08;Line 3和Line 4中间夹着的那行&＃xff09;也是同样的道理&＃xff0c;是由Line 3和Line 4得到的。
虽然文章中多次提到“平均”这个概念&＃xff0c;但是这个“平均”可不是我们通常意义上的(a&＃43;B)/2的平均。颜色的处理有极其复杂的算法保证其最大限度地减少失真&＃xff0c;接近原始质量。


关于 RGB 跟 YUV 的转换&＃xff1a;
计算机彩色显示器显示色彩的原理与彩色电视机一样&＃xff0c;都是采用R&＃xff08;Red&＃xff09;、G&＃xff08;Green&＃xff09;、B&＃xff08;Blue&＃xff09;相加混色的原理&＃xff1a;通过发射出三种不同强度的电子束&＃xff0c;使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩。这种色彩的表示方法称为RGB色彩空间表示&＃xff08;它也是多媒体计算机技术中用得最多的一种色彩空间表 示方法&＃xff09;。
根据三基色原理&＃xff0c;任意一种色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成。
F &＃61; r [ R ] &＃43; g [ G ] &＃43; b [ B ]
其中&＃xff0c;r、g、b分别为三基色参与混合的系数。当三基色分量都为0&＃xff08;最弱&＃xff09;时混合为黑色光&＃xff1b;而当三基色分量都为k&＃xff08;最强&＃xff09;时混合为白色光。调整r、g、b三个系数的值&＃xff0c;可以混合出介于黑色光和白色光之间的各种各样的色光。
那 么YUV又从何而来呢&＃xff1f;在现代彩色电视系统中&＃xff0c;通常采用三管彩色摄像机或彩色CCD摄像机进行摄像&＃xff0c;然后把摄得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到 RGB&＃xff0c;再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R&＃xff0d;Y&＃xff08;即U&＃xff09;、B&＃xff0d;Y&＃xff08;即V&＃xff09;&＃xff0c;最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码&＃xff0c;用同一信道发送 出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。
采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量&＃xff0c;那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题&＃xff0c;使黑白电视机也能接收彩色电视信号。
YUV与RGB相互转换的公式如下&＃xff08;RGB取值范围均为0-255&＃xff09;&＃xff1a;
Y &＃61; 0.299R &＃43; 0.587G &＃43; 0.114B
U &＃61; -0.147R - 0.289G &＃43; 0.436B
V &＃61; 0.615R - 0.515G - 0.100B
R &＃61; Y &＃43; 1.14V
G &＃61; Y - 0.39U - 0.58V
B &＃61; Y &＃43; 2.03U