YUV，是一种颜色编码方法。常使用在各个视频处理组件中。 YUV在对照片或视频编码时，考虑到人类的感知能力，允许降低色度的带宽。
YUV是编码true-color时使用的颜色空间(color space)之一. 像Y'UV, YUV, YCbCr, YPbPr等都可以称为YUV， 彼此之间有重叠。
- Y: 明亮度(Luminace, Luma)
- U: 色度(chrominance)
- V: 浓度(chroma)
YUV和Y'UV: 通常用来编码电视的模拟信号 （Y'表示伽玛校正) YCbCr: 用来描述数字的视频信号，适合视频与图片压缩以及传输，例如MPEG、JPEG
YUV Formats分成两个格式：
- 紧凑格式(packed format): 依次将每个pixel的Y,U,V值存储在一起，和RGB类似
- 平面格式(planar format): 将一帧画面的Y放到一起， 然后再放所有的U，然后再放所有的V
紧凑格式对于YUV4:4：4比较适合，而平面格式适用于采样，它有I420(4:2:0), YV12, IYUV等。
注： 因为github不支持数学公式，所以下面的公式显示有问题，大家可以拷贝到本地查看。
Y'UV的发明是由于彩色电视与黑白电视的过渡时期[1]。黑白视频只有Y（Luma，Luminance）视频，也就是灰阶值。到了彩色电视规格的制定，是以YUV/YIQ的格式来处理彩色电视图像，把UV视作表示彩度的C（Chrominance或Chroma），如果忽略C信号，那么剩下的Y（Luma）信号就跟之前的黑白电视频号相同，这样一来便解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题。Y'UV最大的优点在于只需占用极少的带宽。
因为UV分别代表不同颜色信号，所以直接使用R与B信号表示色度的UV。 也就是说UV信号告诉了电视要偏移某象素的的颜色，而不改变其亮度。 或者UV信号告诉了显示器使得某个颜色亮度依某个基准偏移。 UV的值越高，代表该像素会有更饱和的颜色。
彩色图像记录的格式，常见的有RGB、YUV、CMYK等。彩色电视最早的构想是使用RGB三原色来同时传输。这种设计方式是原来黑白带宽的3倍，在当时并不是很好的设计。RGB诉求于人眼对色彩的感应，YUV则着重于视觉对于亮度的敏感程度，Y代表的是亮度，UV代表的是彩度（因此黑白电影可省略UV，相近于RGB），分别用Cr和Cb来表示，因此YUV的记录通常以Y:UV的格式呈现。
为节省带宽起见，大多数YUV格式平均使用的每像素位数都少于24位。主要的抽样（subsample）格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和YCbCr 4:4:4。YUV的表示法称为A:B:C表示法：
- 4:4:4表示完全取样。
- 4:2:2表示2:1的水平取样，垂直完全采样。
- 4:2:0表示2:1的水平取样，垂直2：1采样。
- 4:1:1表示4:1的水平取样，垂直完全采样。
最常用Y:UV记录的比重通常1:1或2:1，DVD-Video是以YUV 4:2:0的方式记录，也就是我们俗称的I420，YUV4:2:0并不是说只有U（即Cb）, V（即Cr）一定为0，而是指U：V互相援引，时见时隐，也就是说对于每一个行，只有一个U或者V分量，如果一行是4:2:0的话，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此类推。至于其他常见的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。
YUY2（和YUYV）格式为像素保留Y，而UV在水平空间上相隔二个像素采样一次（Y0 U0 Y1 V0），（Y2 U2 Y3 V2）…其中，（Y0 U0 Y1 V0）就是一个macro-pixel（宏像素），它表示了2个像素，（Y2 U2 Y3 V2）是另外的2个像素。 以此类推，再如：Y41P（和Y411）格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4个像素采样一次。一个宏像素为12个字节，实际表示8个像素。图像数据中YUV分量排列顺序如下：（U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7）…
YVYU, UYVY格式跟YUY2类似，只是排列顺序有所不同。Y211格式是Y每2个像素采样一次，而UV每4个像素采样一次。AYUV格式则有一Alpha通道。
YV12格式与IYUV类似，每个像素都提取Y，在UV提取时，将图像2 x 2的矩阵，每个矩阵提取一个U和一个V。YV12格式和I420格式的不同处在V平面和U平面的位置不同。在YV12格式中，V平面紧跟在Y平面之后，然后才是U平面（即：YVU）；但I420则是相反（即：YUV）。NV12与YV12类似，效果一样，YV12中U和V是连续排列的，而在NV12中，U和V就交错排列的。
排列举例： 2*2图像YYYYVU； 4＊4图像YYYYYYYYYYYYYYYYVVVVUUUU
YUV的取值范围：
反过来，从YUV得到RGB，公式如下
用矩阵表示法，表示如下：
SDTV(standard-definition television) with BT.601定义公式如下：
HDTV with BT.709定义公式如下：
step 1
step 2
step 3
step 1
step 2
step 3
转成定点：
定点方法： clmap 表示限定值在[0,255]之间
Y'UV422在内存中的存储方式如下：
所以读取4bytes， 输出6bytes(2 pixels)
y0 = yuv[0];
u = yuv[1];
y1 = yuv[2];
v = yuv[3];
rgb0 = Y'UV444toRGB888(y0, u, v);
rgb1 = Y'UV444toRGB888(y1, u, v);Y'UV420p的采样方式如下：
获取坐标为(x,y)像素点的y,u,v方法如下：
total_pixel = width * height;
y = yuv[y*width + x];
u = yuv[(y/2) * (width/2) + (x/2) + total_pixel]
v = yuv[(y/2) * (widith/2) + (x/2) + total_pixel + (total_pixel/4)]
rgb = Y'uv444toRGB(y,u,v)Y'V12 和Y'UV420p相似，只是UV数据反转， Y'后是V，然后是U。
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// Created by : Harris Zhu
// Filename : rgb2I420.cpp
// Avthor : Harris Zhu
// Created On : 2018-09-17 04:33:02
// Last Modified : 2018-09-17 04:33:02
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//=======================================================================
#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
void Rgb2Yuv420p(uint8_t *destination, uint8_t *rgb, size_t width, size_t height)
{
size_t image_size = width * height;
size_t upos = image_size;
size_t vpos = upos + upos / 4;
size_t i = 0;
for( size_t line = 0; line < height; ++line )
{
if( !(line % 2) )
{
for( size_t x = 0; x < width; x += 2 )
{
uint8_t r = rgb[3 * i];
uint8_t g = rgb[3 * i + 1];
uint8_t b = rgb[3 * i + 2];
uint8_t yt = ((66*r + 129*g + 25*b + 128) >> 8) + 16;
uint8_t ut = (((-38*r) + (-74*g) + 112*b + 128) >> 8) + 128;
uint8_t vt = ((112*r + (-94*g) + (-18*b) + 128) >> 8) + 128;
destination[i++] = yt;
destination[upos++] = ut;
destination[vpos++] = vt;
r = rgb[3 * i];
g = rgb[3 * i + 1];
b = rgb[3 * i + 2];
yt = ((66*r + 129*g + 25*b + 128) >> 8) + 16;
destination[i++] = yt;
}
}
else
{
for( size_t x = 0; x < width; x += 1 )
{
uint8_t r = rgb[3 * i];
uint8_t g = rgb[3 * i + 1];
uint8_t b = rgb[3 * i + 2];
uint8_t yt = ((66*r + 129*g + 25*b + 128) >> 8) + 16;
destination[i++] = yt;
}
}
}
}测试文件：
//
// Created by : Harris Zhu
// Filename : test.cpp
// Author : Harris Zhu
// Created On : 2018-09-17 04:40:06
// Last Modified : 2018-09-17 04:40:06
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "rgb2i420.h"
#include "i4202rgb.h"
int main(int argc, char**argv) {
char * din = argv[1];
char * dout = argv[2];
int width = atoi(argv[3]);
int height = atoi(argv[4]);
size_t imagesize=width*height;
uint8_t bufin[imagesize*3];
uint8_t bufout[size_t(imagesize*1.5)];
size_t nread;
FILE * fin=fopen(din, "r");
FILE * fout=fopen(dout, "w+");
if(fin) {
while((nread = fread(bufin, 1, sizeof(bufin), fin)) > 0) {
Rgb2Yuv420p(bufout, bufin, width, height);
fwrite(bufout, 1, sizeof(bufout), fout);
}
}
fclose(fin);
fclose(fout);
return 0;
}makefile文件：
GENFILE = yuv.in
b build: torgb toyuv
torgb:
g++ -o torgb torgb.cpp -I./ -g
toyuv:
g++ -o toyuv toyuv.cpp -I./ -g
g1 gen1:
./toyuv rgb.in yuv.out 60 40
g2 gen2:
./torgb yuv.in rgb.out 720 480
p1 play1:
cat yuv.out| ffplay -i pipe:0 -f rawvideo -pix_fmt yuv420p -video_size 60x40
p2 play2:
cat rgb.out | ffplay -i pipe:0 -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -video_size 720x480
.PHONY: torgb toyuv上面的makefile包含了下面yuv2rgb的部分
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// Filename : rgb2I420.cpp
// Avthor : Harris Zhu
// Created On : 2018-09-17 04:33:02
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#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
void Yuv420p2Rgb888(uint8_t *destination, uint8_t *yuv, size_t width, size_t height)
{
size_t image_size = width * height;
size_t upos = image_size;
size_t vpos = upos + upos / 4;
size_t i = 0;
for( size_t line = 0; line < height; ++line )
{
for( size_t col = 0; col < width; col += 1 )
{
uint8_t y = yuv[line*width+col];
uint8_t u = yuv[(line/2)*(width/2)+(col/2)+image_size];
uint8_t v = yuv[(line/2)*(width/2)+(col/2)+image_size+(image_size/4)];
int16_t C = y-16;
int16_t D = u-128;
int16_t E = v-128;
int16_t rt = (int16_t)((298*C+408*E+128)>>8);
int16_t gt = (int16_t)((298*C-100*D-208*E+128)>>8);
int16_t bt = (int16_t)((298*C+516*D+128)>>8);
destination[i++] = rt>255?255:rt<0?0:rt;
destination[i++] = gt>255?255:gt<0?0:gt;
destination[i++] = bt>255?255:bt<0?0:bt;
}
}
}测试用例:
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// Filename : test.cpp
// Author : Harris Zhu
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// Last Modified : 2018-09-17 04:40:06
// Update Count : 1
// Tags :
// Description :
// Conclusion :
//
//=======================================================================
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "rgb2i420.h"
#include "i4202rgb.h"
int main(int argc, char**argv) {
char * din = argv[1];
char * dout = argv[2];
int width = atoi(argv[3]);
int height = atoi(argv[4]);
size_t imagesize=width*height;
uint8_t bufin[(size_t)(imagesize*1.5)];
uint8_t bufout[imagesize*3];
size_t nread;
FILE * fin=fopen("yuv.in", "r");
FILE * fout=fopen(dout, "w+");
if(fin) {
while((nread = fread(bufin, 1, sizeof(bufin), fin)) > 0) {
Yuv420p2Rgb888(bufout, bufin, width, height);
fwrite(bufout, 1, sizeof(bufout), fout);
fflush(fout);
}
}
fclose(fin);
fclose(fout);
return 0;
}YUV相比RGB的优点是和黑白兼容，而且它的变种容易压缩带宽，它被广泛用于目前各种图像和视频编码中。掌握它是开始图像和视频编程的基础
注：本文大部分内容是来自YUV的wiki, 大家也可以自行查看原文。