YUV色彩空间

虽然日常生活中接触得比较多的是 RGB 色彩空间,但是还有另一种比较常用的色彩空间 是 YUV。RGB 色彩空间更适合图像采集和显示, YUV 空间用于编码和存储则比较好。在存储和编码之前,RGB 图像要转换为 YUV 图像,而 YUV 图像在 显示之前通常有必要转换回 RGB。

这里显示的时候 YUV 转成 RGB 通常是硬件或者软件内部做了,我们写代码开发的时候 这个 YUV 转 RGB 显示到屏幕这个过程通常是透明的

无论是 RGB 还是 YUV ,他们都是 表达 色彩信息的一种方式

可以把 RGB 跟 YUV 色彩空间看成是 一个 xyz轴 的立方形,一个三维的空间。


首先,讲一下为什么会出现 YUV 色彩空间,这个涉及到 HVS (Human Visual System)人类视觉系统 对 色彩空间的感知能力。

视觉心理学研究表明,人的视觉系统对光的感知程度可以用两个属性来描述:亮度(luminance)色度(chrominance),这里的色度也叫做 饱和度或彩度,总之 色度的叫法有很多,要注意上下文来区分语义。

然后 色度感知 包含两个维度:色调(Hue)和 色饱和度(saturation)。色调是由光波的峰值定义的,描述的是光的颜色。色饱和度是由光波的谱宽定义的,描述的是光的纯度。

因此 HVS 对色彩的感知主要有 3个属性:亮度(luminance),色调(Hue)和 色饱和度(saturation)。也就是 YUV 色彩空间,Y 代表 亮度,U代表色调,V代表色饱和度。

经过大量研究实验表明,视觉系统 对 色度 的敏感度 是远小于 亮度的。所以可以对 色度 采用更小的采样率来压缩数据,对亮度采用正常的采样率即可,这样压缩数据不会对视觉体验产生太大的影响。简单来说就是用更少的数据来表达 色度(chroma),用更多的数据来表达 亮度(luminance)。

YUV 针对 HVS 的压缩技巧请阅读《YUV数据分析》



下面用实际的例子要演示一下 HVS 是怎么感知 YUV 3个分量的,下载 meigui.yuv ,用 7yuv 打开,请看下图:

下图中,我只勾选了 Y 分量显示,可以看到是一个黑白图像,Y 是亮度,黑色越亮就会变成灰色,灰色越亮就会变成白色。

raw-yuv-0-0-1

再看下图,这次我勾选 了 Y跟U 两个分量,注意看叶子跟花朵,可以看出来,已经能看到绿色跟红色了,但是他们非常原始,是暗红跟暗绿的颜色。

raw-yuv-0-0-2

最后,我把 V (色饱和度)也勾上,可以看到,暗红 变成了玫瑰红,暗绿 变成了 青绿色。

raw-yuv-0-0-3


YUV 其实目前有 三种分类:

1,YIQ 适用于NTSC彩色电视制式

2,YUV 适用于PAL和SECAM彩色电视制式

3,YCrCb 适用于计算机用的显示器

我们做互联网音视频开发, 一般说的 YUV 是 指 YCbCr ,U 就是 Cb,V 就是 Cr。

大家经常在一些音视频书籍看到 YCbCr ,把它当成是 YUV 就行。实际上 YCbCr 才是比较准确的术语,JPEG、MPEG 标准 用的也是 YCbCr 。

本书后面说讲的 YUV 也是指 YCbCr ,不是指 用于PAL和SECAM彩色电视 的 YUV。、


为什么 RGB 色彩空间不符合 HVS 的感知能力,现在提供一个juren.bmp 图像,里面是 RGB24 真彩色数据。用 7yuv 打开,如下图:

上面 3 张 图片,分别展示了 R,G,B 分量的显示情况,可以看到 3 个 分量都跟 亮度密切相关,所以针对 HVS 的压缩技巧,在 RGB 色彩空间 不方便使用。

由于相机采集的时候都是 RGB,所以需要一种方法,把RGB色彩空间转换 YUV 空间,《RGB与YUV相互转换 》文章有详细讲解。


扩展知识:实际上,黑白电视看着也不赖,实时通信领域,考虑实时性,降低成黑白也是一个解决方案。


接下来 讲一下 CbCr 这两个通道信息,会用动画跟图片 演示 这两个数值变换带来的视觉影响,如果没有动画跟图片,读者不太容易理解这两个通道是什么。

YUV 里面的 U 就是 Cb ,术语是 色调(Hue)。V 就是 Cr ,术语是 色饱和度(saturation)。

实际上你可以把 UV 看成是 ,colour difference (色彩的差异),请看下图三条公式: Cb=BlueY Cb = Blue - Y Cr=RedY Cr = Red - Y

Cg=GreenY Cg = Green - Y

Cb 代表 蓝色 色度的分量,是通过 RGB 里面的 B 的值 减去 Y 的值得到的。

Cr 代表 红色 色度的分量,是通过 RGB 里面的 R 的值 减去 Y 的值得到的。

Cg 代表 绿色色 色度的分量,是通过 RGB 里面的 G 的值 减去 Y 的值得到的。

Cb 跟 Cr 的颜色空间 如下图(高清图):

YCbCr-CbCr_Scaled_Y50

为了直观感受 CbCr 值的影响,需要使用一个 YUV 调色板来演示一下,如下图:

上图中,YUV 的值都是 1 ~ 255 ,所以 128 就是上图 x y轴的中心。大家可以试着把 Y 从 0 改成 255,会越来越 ,直到变成白色。

YUV 调色板 下载地址:百度网盘,提取码:7x1n 。

这个调色板是 岳麓吹雪 用MFC 写的,需要安装 VS2017 跟 MFC 组件,因为这个项目比较旧,需要改一下配置,如下图,把 Platgorm Toolset 换成 v2017,

调色板里面的 U 就是 Cb,这个值 就是 彩色空间 x 轴的偏移位置,也就是差值,偏移这么多就能达到想要的颜色。但是 还有 Y 轴,Y 轴是 Cr。Cb 跟 Cr 是组合的,会互相影响最后的颜色。

所以, Cr 跟 Cb 在 X Y 轴的图片上看,就会很容易理解他们的作用。


参考文章:

0,《数字编码技术原理》- 高文

1,色度) - 维基百科

2,YCbCr - 维基百科

2,YCbCr与YUV的区别


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