YUV图解 （YUV444, YUV422, YUV420, YV12, NV12, NV21）

背景：

　　最近在研究音视频，了解YUV这样的格式对于音视频开发比较重要。

　　虽然这篇文章大部分是转载别人的，但是经过了校对以后，重新排版并补充了一部分内容

 

概览：

之所以提出yuv格式的原因，是为了解决彩色电视和黑白电视兼容性问题。与我们熟知的RGB类似，YUV也是一种颜色编码方法，主要用于电视系统以及模拟视频领域，它将亮度信息（Y）与色彩信息（UV）分离，没有UV信息一样可以显示完整的图像，只不过是黑白的，这样的设计很好地解决了彩色电视机与黑白电视的兼容问题。并且，YUV不像RGB那样要求三个独立的视频信号同时传输，所以用YUV方式传送占用极少的频宽。

yuv种类分为很多，可以理解是一个二维的，即"空间-间"，和"空间-内"这样的表述，借鉴了h264中的帧间和帧内的思想。

为什么这么说呢？

下面分别从这两种情况阐述一下这个观点：

空间-间：
　　不同空间，即描述一个像素的bit数不同，比如yuv444，yuv422，yuv411，yuv420

空间-内：
　　相同空间，即描述一个像素的bit数相同，但是存储方式不同，比如对于yuv420而言，又可细分为yuv420p，yuv420sp，nv21，nv12，yv12，yu12，I420

因此，我们在理解yuv格式时，时刻需要记住要从bit数，和存储结构两方面考察

YUV格式有两大类：planar和packed。

对于planar的YUV格式，先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V。

对于packed的YUV格式，每个像素点的Y,U,V是连续交叉存储的。

YUV，分为三个分量，“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰度值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。

YUV码流的存储格式其实与其采样的方式密切相关，主流的采样方式有三种： YUV4:4:4，YUV4:2:2，YUV4:2:0，如何根据其采样格式来从码流中还原每个像素点的YUV值是最为关键的地方，因为只有正确地还原了每个像素点的YUV值，才能通过YUV与RGB的转换公式提取出每个像素点的RGB值，然后显示出来。

RGB 转换成 YUV

Y =       (0.257 * R) + (0.504 * G) + (0.098 * B) +
Cr = V =  (0.439 * R) - (0.368 * G) - (0.071 * B) +
Cb = U = -(0.148 * R) - (0.291 * G) + (0.439 * B) +  

 YUV 转换成 RGB

R = 1.164(Y - ) + 1.596(V -)
G = 1.164(Y - ) - 0.813(V -) - 0.391(U - )
B = 1.164(Y - ) + 2.018(U - )

以三个图来直观地表示采集的方式，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。

先记住下面这段话，以后提取每个像素的YUV分量会用到，对照上面的图片，好好理解下面3句话。

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。 

 

YUV数据的存储方式

下面用图的形式给出常见的YUV码流的存储方式，并在存储方式后面附有取样每个像素点的YUV数据的方法，其中，Cb、Cr的含义等同于U、V。

（1） YUVY 格式 （属于YUV422）

 

YUYV为YUV422采样的存储格式中的一种，相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr，分析，对于像素点Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00，其他的像素点的YUV取值依次类推。 

 

（2） UYVY 格式 （属于YUV422）

UYVY格式也是YUV422采样的存储格式中的一种，只不过与YUYV不同的是UV的排列顺序不一样而已，还原其每个像素点的YUV值的方法与上面一样。

 

（3） YUV422P（属于YUV422）

YUV422P也属于YUV422的一种，命名中的P代表Plane模式（平面模式），并不是将YUV数据交错存储，而是先存放所有的Y分量，然后存储所有的U（Cb）分量，最后存储所有的V（Cr）分量，如上图所示。其每一个像素点的YUV值提取方法也是遵循YUV422格式的最基本提取方法，即两个Y共用一个UV。比如，对于像素点Y'00、Y'01 而言，其Cb、Cr的值均为 Cb00、Cr00。

  

 

（4）YV12，YU12格式（属于YUV420）

YU12和YV12属于YUV420格式，也是一种Plane模式，将Y、U、V分量分别打包，依次存储。其每一个像素点的YUV数据提取遵循YUV420格式的提取方式，即4个Y分量共用一组UV。注意，上图中，Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00，其他依次类推。

 

（5）NV12、NV21（属于YUV420）

NV12和NV21属于YUV420格式，是一种two-plane模式，即Y和UV分为两个Plane，但是UV（CbCr）为交错存储，而不是分为三个plane。其提取方式与上一种类似，即Y'00、Y'01、Y'10、Y'11共用Cr00、Cb00

 

YUV420 planar数据， 以720×488大小图象YUV420 planar为例，

其存储格式是： 共大小为(720×480×3>>1)字节，

分为三个部分:Y,U和V

Y分量：    (720×480)个字节  

U(Cb)分量：(720×480>>2)个字节

V(Cr)分量：(720×480>>2)个字节

三个部分内部均是行优先存储，三个部分之间是Y,U,V 顺序存储。

即：

　　YUV数据的0－－720×480字节是Y分量值，         

　　720×480－－720×480×5/4字节是U分量    

　　720×480×5/4 －－720×480×3/2字节是V分量。

4 ：2： 2 和4：2：0 转换：

最简单的方式：

YUV4:2:2 转换为 YUV4:2:0  时， Y不变，将U和V信号值在行(垂直方向)在进行一次隔行抽样。

YUV4:2:0 转换为 YUV4:2:2  时， Y不变，将U和V信号值的每一行分别拷贝一份形成连续两行数据。

在YUV420中，一个像素点对应一个Y，一个4X4的小方块对应一个U和V。对于所有YUV420图像，它们的Y值排列是完全相同的，因为只有Y的图像就是灰度图像。YUV420sp（semi-plane）与YUV420p的数据格式它们的UV排列在原理上是完全不同的。420p它是先把U存放完后，再存放V，也就是说UV它们是连续的。而420sp它是UV、UV这样交替存放的。

假设一个分辨率为8X4的YUV图像，它们的格式如下图：

                      YUV420sp格式如下图                                                          

             

                        YUV420p数据格式如下图

有了上面的理论，就可以准确的计算出一个YUV420在内存中存放的大小：

　　width * hight =Y（总和） U = Y / 4   V = Y / 4，即 YUV420 数据在内存中的长度是 width * hight * 3 / 2

旋转90度的算法:

public static void rotateYUV240SP(byte[] src,byte[] des,int width,int height)
{
    int wh = width * height;
    //旋转Y
    int k = ;
    for(int i=;i<width;i++) {
        for(int j=;j<height;j++)
        {
            des[k] = src[width*j + i];
            k++;
        }
    }
    for(int i=;i<width;i+=) {
        for(int j=;j<height/;j++)
        {
            des[k] = src[wh+ width*j + i];
            des[k+]=src[wh + width*j + i+];
            k+=;
        }
    }
}

YV12和I420的区别：

一般来说，直接采集到的视频数据是RGB24的格式，RGB24一帧的大小size＝width×heigth×3 Bit，RGB32的size＝width×heigth×4，如果是I420（即YUV标准格式4：2：0）的数据量是 size＝width×heigth×1.5 Bit。       在采集到RGB24数据后，需要对这个格式的数据进行第一次压缩。即将图像的颜色空间由RGB2YUV。因为，X264在进行编码的时候需要标准的YUV（4：2：0）。但是这里需要注意的是，虽然YV12也是（4：2：0），但是YV12和I420的却是不同的，在存储空间上面有些区别，UV的顺序不同：

YV12 ： 亮度（行×列） ＋ U（行×列/) + V（行×列/）
I420 ： 亮度（行×列） ＋ V（行×列/) + U（行×列/）

 

继续我们的话题，经过第一次数据压缩后RGB24－>YUV（I420），数据量将减少一半。同样，如果是RGB24－>YUV（YV12），也是减少一半。但是，虽然YUV（I420）、YUV（YV12）都是减少一半，但如果是YV12的话效果就有很大损失。

然后，经过X264编码后，数据量将大大减少。将编码后的数据打包，通过RTP实时传送。到达目的地后，将数据取出，进行解码。完成解码后，数据仍然是YUV格式的，所以，还需要一次转换，这样windows的驱动才可以处理，就是YUV2RGB24。

YUY2  是 4:2:2  [Y0 U0 Y1 V0]

 

yuv420p 和 YUV420的区别

在存储格式上有区别：

yuv420p：yyyyyyyy uuuuuuuu vvvvv

yuv420： yuv yuv yuv

 

YUV420P：Y，U，V三个分量都是平面格式，分为I420和YV12。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）。

 

YUV420SP：Y分量平面格式，UV打包格式, 即NV12。 NV12与NV21类似，U 和 V 交错排列,不同在于UV顺序。

 

I420:  YYYYYYYY UU VV    =>YUV420P

YV12: YYYYYYYY VV UU    =>YUV420P

NV12: YYYYYYYY UVUV     =>YUV420SP

NV21: YYYYYYYY VUVU     =>YUV420SP