RGB&YUV 颜色编码理解

前言:RGB 和 YUV 都是色彩空间模型，下面来分别介绍下

一、RGB颜色编码

$\color{red}{RGB}$ 颜色编码格式，是指每种颜色都可以用 $\color{red}{（红，绿，蓝）}$ 三种颜色来表示，将 $\color{red}{RGB}$ 分别取不同的值，会展示不同的颜色（即三原色）。

使用 $\color{red}{RGB}$ 编码的图像中国呢，每个像素点都是由红、绿、蓝三个颜色组成，每种颜色在内存中都占用 $\color{red}{8bit}$ (一个字节),即一个像素点占用 $\color{red}{24bit}$ ,加上透明度，所以一个像素点在内存中占用 $\color{red}{32bit}$ (4个字节)。

RGB展示图

当有一张大小的图片时，该图片中有个像素点，其中每个像素点都采用，那么这张图片就会占用的存储空间。

二、YUV颜色编码

$\color{red}{YUV}$ 颜色编码采用的是 $\color{red}{明亮度}$ 和 $\color{red}{色度}$ 来指定像素的颜色，其中Y表示明亮度（Luminance Luma），U和V表示色度（Chrominance chroma），而色度，又定义了颜色的色调和饱和度。
$\color{red}{YUV颜色编码格式在默认情况下是图像和视频压缩的标准}$ ，如下图所示，和RGB类似，每个像素先都包含Y、U、V3个分量，但是其中Y和UV是可以分离的，没有UV信息，也是可以显示图片的，只不过的黑白的。

YUV颜色编码

使用YUV的优势

降低占用的存储空间
节省带宽

对于YUV图像来说，并不是每个像素点都需要包含Y、U、V三个分量，我们可以根据不同的采样格式，有以下几种采样格式

YUV4:4:4：每个Y分量对应自己的UV分量
YUV4:2:2：两个Y分量共用一套UV分量
YUV4:2:0：4个Y分量共用一套UV分量

其中最常用的YUV格式则是YUV4:2:0

YUV采样格式 - YUV4:4:4

YUV4:4:4 采样格式，表示其中的Y、U、V三个分量的采样比例是相同的，所以每个像素点的分量信息都是完整的，每个分量占用8bit，一个像素点占用1个字节。与RGB颜色编码相比，并没有节省带宽，占用的存储空间也没有减少

可以简单理解为：原始像素原样输出，没有任何压缩，如下图所示

image

假设原始图像的像素为（一对[]表示一个像素点）：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
将原始图像像素按照YUV4:4:4采样的码流为(相对原始像素是原样输出)：
Y0, U0, V0, Y1, U1, V1, Y2, U2, V2, Y3, U3, V3
最后映射还原的像素点 = 原始图像的像素，为：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];

其中映射过程如下图所示

image

YUV采样格式 - YUV4:2:2

YUV4:2:2采样格式，是指其中Y分量的采样是UV分量的2倍，即Y分量与UV分量是按照2：1的比例采样。举例说明：如果水平方向有10个像素点，通过这种采样格式，最终采样了10个Y分量，5个UV分量

可以通俗的理解为：每采样一个像素点，都会采样Y分量，而U、V分量则会间隔一个采集一个，如图所示

image

假设原始图像的像素为（一对[]表示一个像素点）：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
将原始图像像素按照YUV4:2:2采样的码流为：
Y0, U0, Y1, V1, Y2, U2, Y3, V3
最后映射还原的像素点为：
[Y0, U0, V1]; [Y1, U0, V1]; [Y2, U2, V3]; [Y3, U2, V3];

其映射过程如图所示

image

YUV采样格式 - YUV4:2:0

YUV4:2:0采样格式，并不是只采样U分量，而不采样V分量，而是在每一行扫描时，只扫描一种U/V其中一种色度分量，而Y按照2：1的方式采样。

举例说明：

当第一行扫描时，YU按照2：1的方式采样
当第二行扫描时，YV按照2：1的方式采样

对于每个色度分量来说，在水平方向和竖直方向的采样和 Y分享相比都是2：1

可以简单的理解为：在田字格的4个像素点中，4个Y分量共用了一套UV分量，如图所示

image

假设原始图像的像素为（一对[]表示一个像素点）：
[Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
[Y5, U5, V5]; [Y6, U6, V6]; [Y7, U7, V7]; [Y8, U8, V8];
将原始图像像素按照YUV4:2:0采样的码流为：
Y0, U0, Y1, Y2, U2, Y3,
Y5, V5, Y6, Y7, V7, Y8,
最后映射还原的像素点为：
[Y0, U0, V5]; [Y1, U0, V5]; [Y2, U2, V7]; [Y3, U2, V7];
[Y5, U0, V5]; [Y6, U0, V5]; [Y7, U2, V7]; [Y8, U2, V7];

其映射过程如图所示

image

总结

YUV4:4:4中Y、U、V分量的采样比例相同，既可以理解为原始图像像素点原样输出，存储空间没有任何变化
YUV4:2:2采样格式，是指每采样一个像素点，都会采样Y分量，而U、V分量则会间隔一个采集一个，本质是通过左右相邻像素点共用U/V分量。相比RGB颜色编码格式，节省了 1/3的存储空间，同时节约了在传输时的带宽
YUV4:2:0采样格式，是实际开发中最常用的颜色编码格式，相比YUV4:2:2采样格式，更能节省空间。是指在2*2的田字格中有4个像素点，其中4个Y分量共用一套UV分量，其本质是通过田字格的上下左右像素点共用U/V分量

三、RGB — YUV 颜⾊色编码转换

对于图像显示器来说，它是通过 RGB 模型来显示图像的，而在传输图像数据时又是使用 YUV 模型，这是因为 YUV模
型可以节省带宽。因此就需要采集图像时将 RGB 模型转换到 YUV 模型，显示时再将YUV 模型转换为RGB 模型.

RGB 到 YUV的转换，就是将图像所有像素点的R、G、B 分量转换到 Y、U、V分量。
YUV 转RGB

  R = Y + 1.14 * V
  G = Y - 0.39 * U - 0.58 * V 
  B = Y + 2.03 * U

RGB转YUV

  Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
  U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B 
  V = 0.615 * R - 0.515 * G - 0.100 * B