鹰眼视图——《图样，too simple》系列之二

引言：最近为FPGA验证做图片生成器，检索了多种图片格式的介绍文档，这里做一个总结，希望对刚接触数字图像处理的新同事有所帮助。本系列分三部分，介绍工作中常见的YUV、RAW等各种图片格式，不求艰深晦涩，但求简洁明了。

本文是第二部分：YUV？什么鬼？à so easy!

1      YUV简介

与RGB类似，YUV也是3个分量的组合，其中Y表示明亮度，也就是灰度值；U和V表示色彩（色度）。YUV等同于YCbCr，其中Cb是Component blue的缩写，即蓝色分量，表示输入信号蓝色部分与亮度值之间的差异，Cr是Component red的缩写，即红色分量，表示输入信号红色部分与亮度值之间的差异。

可见YUV实现了亮度信号Y与色度信号U/V的分离，可以独立存储和传输，另外可以根据人眼特性进行压缩采样（下采样），从而显著降低图像存储容量及传输带宽。

研究表明，人眼对亮度的敏感超过色度，色度信息减少一点，人眼几乎难以察觉。基于此，人们保留了每个像素点的亮度Y信息，对UV信息进行隔行或隔列采样（多像素共享一个U分量和V分量）；按照不同的采样率，衍生出YUV4:4:4、YUV4:2:2和YUV4:2:0三种常见格式。

2      YUV444

YUV444格式是YUV4:4:4的简写，表示Y:U:V=4:4:4，即没有压缩采样，每一个像素的YUV三分量都得到保留。

3      YUV422

YUV422格式是YUV4:2:2的简写，表示Y:U:V=4:2:2，从字面上看，即相邻的4个像素点除了保留4个Y分量，另外只保留2个U分量和2个V分量。实际表现在整幅图像上，就是每行像素中，隔列丢弃一组UV信息，下图中黑点表示像素点的Y分量，空心圆表示采用该像素点的UV分量：

按照YUV分量存储顺序不同，又分为YUYV、UYVY和YUV422P三种格式：

3.1      YUYV

为了一目了然，以2行x4列像素点为例，以下为采样压缩前的数据，下标为像素点序号：

上图中两个相邻的像素组成一个宏像素（Macro-Pixel），如红框所示为第一个宏像素。第一个宏像素经4:2:2采样压缩后，只保留Y0、Y1、U0和V0，如果存储顺序为Y0U0Y1V0，这种存储格式就是YUYV（有的文档也称YUY2）。依此类推，上述8个像素采样后的数据排列如下：

相应的存储顺序为：Y0U0Y1V0  Y2U2Y3V2  Y4U4Y5V4  Y6U6Y7V6

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的YUYV图片。

3.2      UYVY

与YUYV类似，只是每个宏像素内部YUV分量存储的顺序不同，按照UYVY的顺序存储，就叫UYVY格式（顾名思义）。

同样以上述2行x4列像素点为例，则采样后的数据排列如下

相应的存储顺序为：U0Y0V0Y1  U2Y2V2Y3  U4Y4V4Y5  U6Y6V6Y7

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的UYVY图片。

3.3      YUV422P

上述两种格式都是packed存储方式，即每个宏像素点的YUV分量都是打包起来逐个包进行存储。YUV422P格式与此不同，这里的P是planar的缩写，即平面存储方式，分Y/U/V三个平面分别存储：先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，最后是所有像素点的V。

同样以上述2行x4列像素点为例，采样后的数据存储顺序为：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7  U0U2U4U6  V0V2V4V6

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的YUV422P图片。

4      YUV420

YUV420格式是YUV4:2:0的简写，但并不表示整幅图像中Y:U:V的采样率为4:2:0，即并不表示丢弃了所有V分量。而是表示在某一行中丢弃所有V分量，此行内Y:U:V=4:2:0，但在紧邻的下一行中保留一半V分量，丢弃所有U分量，此行内Y:U:V=4:0:2。从整幅图上看，所有Y分量被保留，每个2x2小窗口构成一个宏像素（Macro-Pixel），共享一个UV分量，如下图所示，黑色实心圆代表Y，空心圆代表UV：

按照YUV分量存储顺序不同，又分为I420、YV12、NV12、NV21四种格式：

4.1      I420

I420属于420P中的一种，即平面存储方式：Y、U、V三分量分开独立存储。先存储所有Y，然后U，最后是V。同样以上述2行x4列像素点矩阵为例：

采样后I420格式图片数据的存储顺序为：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7  U0U2  V4V6

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的I420图片。

4.2      YV12

YV12也属于420P中的一种，即平面存储方式：Y、U、V三分量分开独立存储。但UV分量存储顺序调换，先存储所有Y，然后V，最后是U。同样以上述2行x4列像素点矩阵为例：

采样后YV21格式图片数据的存储顺序为：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7  V4V6    U0U2

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的YV12图片。

4.3      NV12

NV12属于YUV420sp中的一种，这里的sp是semi-planar的缩写，即半平面存储方式：不再是3个平面，而是两个平面——Y平面和UV平面，分别独立存储Y分量和UV分量。先存储所有Y，然后UV平面中UV交错存储。同样以上述2行x4列像素点矩阵为例：

采样后NV12格式图片数据的存储顺序为：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7  U0V4U2V6

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的NV12图片。

4.4      NV21

NV21也属于YUV420sp中的一种，先存储所有Y，然后UV平面中UV交错存储，与NV12不同的是UV平面中UV分量先后顺序是颠倒的。同样以上述2行x4列像素点矩阵为例：

采样后NV21格式图片数据的存储顺序为：

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7  V4U0V6U2

进而可以扩展到1024*768分辨率及更大尺寸的NV21图片。

5      Y8

最后提一下最简单的Y8格式，顾名思义，就是每个像素点只保存Y分量，每个Y分量用8个bit位表示，取值为0-255。这与我们上篇提到的单通道256阶灰度图非常类似，是YUV色彩空间中的灰度图。

另外澄清一下，检索国外文献的时候要注意，他们称这种格式为Luma 8bits。

OK，常用的YUV格式基本介绍完了，希望对大家有帮助。后面敬请关注《图样 too simple》系列之三：RAW10? 12? 14? bggr? 原来如此原始+土豪!

其他

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