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常用图像像素格式 NV12、NV2、I420、YV12、YUYV

2021-03-11 6264 1

常用图像像素格式 RGB 和 YUV,像素格式描述了像素数据存储所用的格式,定义了像素在内存中的编码方式。RGB 和 YUV 为两种经常使用的像素格式。

1.RGB 格式

一般较为熟悉,RGB图像具有三个通道 R、G、B,分别对应红、绿、蓝三个分量,由三个分量的值决定颜色;这三种颜色称为 三原色,将它们以不同的比例相加,可以产生多种多样的颜色。

通常,会给RGB图像加一个通道alpha,即透明度,于是共有四个分量共同控制颜色(RGBA)

在图像显示中,一张 1280 * 720 大小的图片,就代表着它有 1280 * 720 个像素点。其中每一个像素点的颜色显示都采用 RGB 编码方法,将 RGB 分别取不同的值,就会展示不同的颜色。

RGB 图像中,每个像素点都有红、绿、蓝三个原色,其中每种原色都占用 8 bit,也就是一个字节,那么一个像素点也就占用 24 bit,也就是三个字节。

一张 1280 * 720 大小的图片,就占用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存储空间。

2.YUV 格式

(YCrCb)是指将亮度参量Y和色度参量U/V分开表示的像素格式,主要用于优化彩色视频信号的传输。

  • Y 表示明亮度(Luminance,Luma或brightness),也就是灰阶值
  • U 和 V 表示的则是色度(Chrominance或Chroma),作用是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。
    YUV像素格式来源于RGB像素格式,通过公式运算,YUV 三分量可以还原出 RGB,YUV 转 RGB 的公式如下:
    R = Y + 1.403V
    G = Y - 0.344U - 0.714V
    B = Y + 1.770U

一般,将 RGB 和 YUV 的范围均限制在 [0, 255] 间,则有如下转换公式:

   R = Y + 1.403(V - 128)
   G = Y - 0.344(U - 128) - 0.714(V - 128)
   B = Y + 1.770(U - 128)

鉴于 RGB 格式已经见得见多,本文主要总结 YUV 常见的几种像素格式。

YUV 相比于 RGB 格式最大的好处是可以做到在保持图像质量降低不明显的前提下,减小文件大小。YUV 格式之所以能够做到,是因为进行了采样操作。

YUV 码流的存储格式与其采样方式密切相关,主流的采样方式有三种:YUV 4:4:4(YUV444),YUV 4:2:2(YUV422),YUV 4:2:0(YUV420)

若以以黑点表示采样该像素点的 Y 分量,以空心圆圈表示采用该像素点的 UV 分量,则这三种采样方式如下:

yuv

即:

YUV 4:4:4 采样,每一个 Y 对应一组 UV 分量。
YUV 4:2:2 采样,每两个 Y 共用一组 UV 分量。
YUV 4:2:0 采样,每四个 Y 共用一组 UV 分量。

2.1 YUV 4:4:4 采样

YUV 4:4:4 采样,意味着 Y、U、V 三个分量的采样比例相同,因此在生成的图像里,每个像素的三个分量信息完整,都是 8 bit,也就是一个字节。
其中,Y 分量用叉表示,UV 分量用圆圈表示。
yuv444

举个例子 :

假如图像像素为:[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]
那么采样的码流为:Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3
最后映射出的像素点依旧为 [Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]

可以看到这种采样方式的图像和 RGB 颜色模型的图像大小是一样,并没有达到节省带宽的目的,当将 RGB 图像转换为 YUV 图像时,也是先转换为 YUV 4:4:4 采样的图像。

2.2 YUV 4:2:2 采样

YUV 4:2:2 采样,意味着 UV 分量是 Y 分量采样的一半,Y 分量和 UV 分量按照 2 : 1 的比例采样。如果水平方向有 10 个像素点,那么采样了 10 个 Y 分量,而只采样了 5 个 UV 分量。

如下图所示:
yuv422

其中,Y 分量用叉表示,UV 分量用圆圈表示。

举个例子 :

假如图像像素为:[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、[Y2 U2 V2]、[Y3 U3 V3]
那么采样的码流为:Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
其中,每采样过一个像素点,都会采样其 Y 分量,而 U、V 分量就会间隔一个采集一个。
最后映射出的像素点为 [Y0 U0 V1]、[Y1 U0 V1]、[Y2 U2 V3]、[Y3 U2 V3]

采样的码流映射为像素点,还是要满足每个像素点有 Y、U、V 三个分量。但是可以看到,第一和第二像素点公用了 U0、V1 分量,第三和第四个像素点公用了 U2、V3 分量,这样就节省了图像空间。

一张 1280 * 720 大小的图片,在 YUV 4:2:2 采样时的大小为:

 total = w * h + w * h * 2 / 2
(1280 * 720  + 1280 * 720 * 0.5 * 2) / 1024 / 1024 = 1.76 MB 。

可以看到 YUV 4:2:2 采样的图像比 RGB 模型图像节省了三分之一的存储空间,在传输时占用的带宽也会随之减少。

2.3 YUV 4:2:0 采样

YUV 4:2:0 采样,并不是指只采样 U 分量而不采样 V 分量。而是指,在每一行扫描时,只扫描一种色度分量(U 或者 V),和 Y 分量按照 2 : 1 的方式采样。比如,第一行扫描时,YU 按照 2 : 1 的方式采样,那么第二行扫描时,YV 分量按照 2:1 的方式采样。对于每个色度分量来说,它的水平方向和竖直方向的采样和 Y 分量相比都是 2:1 。

如下图所示:
yuv420
其中,Y 分量用叉表示,UV 分量用圆圈表示。

假设第一行扫描了 U 分量,第二行扫描了 V 分量,那么需要扫描两行才能够组成完整的 UV 分量。

举个例子 :
假设图像像素为:

[Y0 U0 V0]、[Y1 U1 V1]、 [Y2 U2 V2]、 [Y3 U3 V3]
[Y5 U5 V5]、[Y6 U6 V6]、 [Y7 U7 V7] 、[Y8 U8 V8]

那么采样的码流为:Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3 Y5 V5 Y6 Y7 V7 Y8

其中,每采样过一个像素点,都会采样其 Y 分量,而 U、V 分量就会间隔一行按照 2 : 1 进行采样。

最后映射出的像素点为:

[Y0 U0 V5]、[Y1 U0 V5]、[Y2 U2 V7]、[Y3 U2 V7]
[Y5 U0 V5]、[Y6 U0 V5]、[Y7 U2 V7]、[Y8 U2 V7]

从映射出的像素点中可以看到,四个 Y 分量是共用了一套 UV 分量,而且是按照 2*2 的小方格的形式分布的,相比 YUV 4:2:2 采样中两个 Y 分量共用一套 UV 分量,这样更能够节省空间。

一张 1280 * 720 大小的图片,在 YUV 4:2:0 采样时的大小为:

 total = w * h + w * h * 2 /4 
(1280 * 720  + 1280 * 720 * 0.25  * 2) / 1024 / 1024 = 1.32 MB 。

可以看到 YUV 4:2:0 采样的图像比 RGB 模型图像节省了一半的存储空间,因此它也是比较主流的采样方式。


3 YUV 存储格式

说完了采样,接下来就是如何把采样的数据存储起来。

YUV 的存储格式,有两种:

  • planar 平面格式:指先连续存储所有像素点的 Y 分量,然后存储 U 分量,最后是 V 分量。
  • packed 打包模式:指每个像素点的 Y、U、V 分量是连续交替存储的。

根据采样方式和存储格式的不同,就有了多种 YUV 格式。这些格式主要是用于 YUV 4:2:2 和 YUV 4:2:0 采样。

3.1 YUV422:YUYV、YVYU、UYVY、VYUY

YUV 4:2:2 采样规定了 Y 和 UV 分量按照 2: 1 的比例采样,两个 Y 分量公用一组 UV 分量。
这四种格式每一种又可以分为 2 类(packed和planar),以 YUYV 为例,一个 6*4 的图像的存储方式如下:

    Y Y Y Y Y Y                   
    Y Y Y Y Y Y                  
    Y Y Y Y Y Y                   
    Y Y Y Y Y Y                    
    U U U U U U                        Y U Y V Y U Y V Y U Y V
    U U U U U U                        Y U Y V Y U Y V Y U Y V
    V V V V V V                        Y U Y V Y U Y V Y U Y V
    V V V V V V                        Y U Y V Y U Y V Y U Y V
    - Planar -                          - Packed -

YUYV 格式
YUYV 格式是采用打包格式进行存储的,指每个像素点都采用 Y 分量,但是每隔一个像素采样它的 UV 分量,排列顺序如下:

Y0 UO Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量,Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量….
yuyv

UYVY 格式
UYVY 格式也是采用打包格式进行存储,它的顺序和 YUYV 相反,先采用 U 分量再采样 Y 分量,排列顺序如下:

U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3

Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量,Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量….

根据 UV 和 Y 的顺序还有其他格式,比如,YVYU 格式,VYUY 格式等等,原理大致一样了。
uyvy

YUV 422P 格式
YUV 422P 格式,又叫做 I422,采用的是平面格式进行存储,先存储所有的 Y 分量,再存储所有的 U 分量,再存储所有的 V 分量。

3.2 YUV420:I420、YV12、NV12,、NV21

基于 YUV 4:2:0 采样的格式主要有 YUV 420P 和 YUV 420SP 两种类型,每个类型又对应其他具体格式。

YUV 420P 类型

  • YU12 格式
  • YV12 格式

YUV 420SP 类型

  • NV12 格式
  • NV21 格式

YUV 420P 和 YUV 420SP 都是基于 Planar 平面模式 进行存储的,先存储所有的 Y 分量后, YUV420P 类型就会先存储所有的 U 分量或者 V 分量,而 YUV420SP 则是按照 UV 或者 VU 的交替顺序进行存储了:

同样,对于一个6*4的图像,这四种像素格式的存储方式如下:

    Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y
    Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y
    Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y
    Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y      Y Y Y Y Y Y
    U U U U U U      V V V V V V      U V U V U V      V U V U V U
    V V V V V V      U U U U U U      U V U V U V      V U V U V U
     - I420 -          - YV12 -         - NV12 -         - NV21 -
  • I420、YV12 三个分量均为平面格式,即分别存在三个 Byte 型数组中;
  • NV12、NV21 的存储格式为 Y 平面,UV 打包,即 Y 信息存储在一个数组中,UV 信息存储在一个矩阵中。

更多的YUV格式可参见:https://www.fourcc.org/yuv.php

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