音视频直播技术--YUV视频格式详解

什么是YUV

YUV（也称YCbCr）是电视系统所采用的一种颜色编码方法。其中 Y 表示明亮度，也就是灰阶值，它是基础信号；U 和 V 表示的则是色度，UV 的作用是描述影像色彩及饱和度，它们用于指定像素的颜色。U和V不是基础信号，它俩都是被正交调制的.

YUV与RGB视频信号相比，最大的优点在于只需占用极少的带宽，YUV只需要占用RGB一半的带宽。

YUV采样格式

主要的采样格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4 ，其中 YCbCr 4:2:0是最常用的采样格式。

YUV 4:4:4

YUV三个信道的抽样率相同，因此在生成的图像里，每个象素的三个分量信息完整（每个分量通常8比特），经过8比特量化之后，未经压缩的每个像素占用3个字节。

下面的四个像素为: 
                    [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的码流为:     
                    Y0 U0 V0    Y1 U1 V1   Y2 U2 V2   Y3 U3 V3

YUV 4:2:2

每个色差信道的抽样率是亮度信道的一半，所以水平方向的色度抽样率只是4:4:4的一半。对非压缩的8比特量化的图像来说，每个由两个水平方向相邻的像素组成的宏像素需要占用4字节内存。

下面的四个像素为：
                    [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
存放的码流为：    
                    Y0 U0       Y1 V1      Y2 U2      Y3 V3
映射出像素点为：  
                    [Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

YUV4:2:0

4:2:0并不意味着只有Y、Cb两个分量，而没有Cr分量。它实际指得是对每行扫描线来说，只有一种色度分量，它以2:1的抽样率存储。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，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。对每个色度分量来说，水平方向和竖直方向的抽样率都是2:1，所以可以说色度的抽样率是4:1。对非压缩的8比特量化的视频来说，每个由2x2个2行2列相邻的像素组成的宏像素需要占用6字节内存。

下面八个像素为：
                [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
                [Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7 U7 V7] [Y8 U8 V8]
              
存放的码流为：  
                Y0 U0      Y1         Y2 U2      Y3
                Y5 V5      Y6         Y7 V7      Y8
                 
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]

图形表式法

我们用三个图来直观地表示采集的方式吧，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。

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，如图中的红色部分。

存储格式

YUV存储格式分为两大类：planar（平面）格式 和 packed（打包）格式。对于planar格式，先连续存储所有像素点的Y分量，紧接着存储所有像素点的U分量，最后是所有像素点的V分量。对于packed格式，每个像素点的 Y、U、V 分量是连续交叉存储的。由于我们比较常用的是YUV 4:2:0格式，所以我们下面只介绍它的存储格式，其它如YUV 4:4:4 和 YUV 4:2:2请大家参阅其它文章。

YUV420P中的Y、U、V分量都是平面格式，如下图所示：

YUV420P又分为 I420 和 YV12 两种格式。I420格式和YV12格式的不同处在U平面和V平面的位置不同。在I420格式中，U平面紧跟在Y平面之后，然后才是V平面（即：YUV）；但YV12则是相反（即：YVU）。

I420: YYYYYYYY UU VV    =>YUV420P
YV12: YYYYYYYY VV UU    =>YUV420P

YUV420SP中的Y分量为平面格式，UV分量为打包格式，即 U 和 V 分量交错排列。如下图所示：

YUV420SP也分为两种格式 NV12 和 NV21，这两种格式的不同在于UV交错排列的顺序不同。

NV12: YYYYYYYY UVUV     =>YUV420SP
NV21: YYYYYYYY VUVU     =>YUV420SP

小结

本篇文章为大家介绍了什么是YUV，YUV和采样格式及其存储格式。这里并没有介绍RGB与YUV之间的转换，有兴趣的同学可以自行查阅相关信息。

YUV格式是做音视频直播的一个基本知识点，所以这也是我音视频直播系列文章中的一节，希望大家喜欢，如有不足也请指正。

后面我还会有更多精彩的文章，也希望大家关注我的头条号。

参考

1. 百度百科 https://baike.baidu.com/item/YUV/3430784?fr=aladdin
2. http://www.cnblogs.com/azraelly/archive/2013/01/01/2841269.html