色彩模式RGB&YUV格式分析

摘要：先來個小測試，您看封面圖的數(shù)字是5還是2?這個是色盲測試的題目。其原理在于我們的眼中用來分辨顏色的錐狀細(xì)胞的差異，錐狀細(xì)胞通過對三原色的感知來識別萬色萬物，而機器中是怎么樣識別的呢?

我們這樣看著世界

人們都知道，把大象放進冰箱需要三步，而人眼把世界放進大腦也可簡單分為三步：眼球感應(yīng)到像(傳感器采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號)——轉(zhuǎn)成神經(jīng)信號傳到大腦(通過通訊系統(tǒng)將信號傳到處理器)——大腦處理并存放(處理器轉(zhuǎn)化成屏幕可顯示與存儲的格式)。

所以，人眼開始看到的圖像格式由光信號轉(zhuǎn)化成了神經(jīng)中的電信號與化學(xué)信號，傳播格式已經(jīng)不同了!機器也是要轉(zhuǎn)換的。

1.1 大腦里的格式——RGB圖像格式

首先，屏幕是由一個個像素點組成的，里面絢麗的色彩也就只是出自像素點上紅(Red)、綠(Green)、藍(Blue)三原色而已，這種色彩的表示方法稱為RGB色彩空間表示(它也是多媒體計算機技術(shù)中用得最多的一種色彩空間表示方法)，如下圖所示：

圖1

根據(jù)三基色原理，任意一種色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成。如公式 1.1所示。

公式 1.1 三基色原理

白光是多種光的混合，所以當(dāng)三基色系數(shù)最大時為白色，零時為黑色，而介于兩者間的就是世間百色了。

每個像素點就像一個顏料盒，盒子越大，裝的色彩種類越多，則這個像素點能表達的色彩越豐富，而這個盒子的大小在電腦里叫做存儲空間，調(diào)色的方式則是改變?nèi)浚旅娴谋碓酵?，所需要的存儲空間越大，但每個像素點能描述的顏色越準(zhǔn)確，屏幕的畫面也就越逼真。

RGB常見的格式如表 1.1所示，不用詳細(xì)看，留著以后查就好。

表 1.1 RGB常見格式

1.2 眼球上的格式——YUV圖像格式

與RGB視頻信號傳輸相比，YUV最大的優(yōu)點在于只需占用極少的帶寬(RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸)，兩種格式對帶寬的占用量噸位差異如下圖一般，RGB占用的帶寬要大得多。

圖2

所以我們存儲的時候為了節(jié)約空間(偷工解料?)、方便打包就用了亮度信號Y和兩個色差信號R-Y(紅色-亮度，即U)、B-Y(藍色-亮度，即V)分別進行編碼，然后發(fā)出去，到了顯示終端再轉(zhuǎn)換回RGB格式，這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。這時候也許你會問“咦，G(綠色)哪去了”，其實兩種顏色加亮度也能通過算法大致表達出原本的顏色(果然偷工減料)，所以就算是融合進R和B里了。

難道只為了省點帶寬所以我們就義無反顧選擇了YUV格式嗎?

當(dāng)然不是!好吧，雖然低帶寬也很重要。

采用YUV色彩空間更重要在于它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的，這樣分開的好處就是不但可以避免相互干擾，還可以降低色度的采樣率而不會對圖像質(zhì)量影響太大。如果U、V為零，就沒有顏色，變成黑白電視了。當(dāng)然，Y也是一個重要參數(shù)，其實平時我們看一個顏色深淺是很不一樣的，而深淺取決于亮度Y，Y的影響如下圖示。

圖3

下面只介紹一種YUV格式，大家觸類旁通。

1) YUV 4:2:2

4代表存放流碼中有4個Y，2表示存放流碼中有2個U色差值，第二個2表示存放流碼中有2個V色差值。

下面的四個像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

存放的碼流為：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

映射出像素點為：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

圖4

上圖是YUV4:2:2的采樣網(wǎng)絡(luò)，燈光樣例(Y)用叉表示，色度樣例(U、V)則用圈表示。每個點都有叉，而圈只有一半，所以這就是為什么上面的存放流碼四個Y齊全，而U、V只有一半。

1.3 RGB/YUV格式轉(zhuǎn)換

由此可見，兩種兵器各有所長，YUV長于處理和傳輸，RGB長于表達，都愛不釋手怎么辦?下附兩者鍛造秘籍!

YUV(YCrCb)與RGB的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可用公式 1.2來描述。

公式 1.2 YUV與RGB轉(zhuǎn)化關(guān)系

進行轉(zhuǎn)化得公式 1.3。

公式 1.3 YUV與RGB簡化轉(zhuǎn)換

其中RGB取值范圍均為0-255。