RGB和YUV 多媒體編程

一、概念

　　1.什么是RGB？

　　對一種顏色進行編碼的方法統稱為“顏色空間”或“色域”。用最簡單的話說，世界上任何一種顏色的“顏色空間”都可定義成一個固定的數字或變量。RGB（紅、綠、藍）只是眾多顏色空間的一種。采用這種編碼方法，每種顏色都可用三個變量來表示-紅色綠色以及藍色的強度。記錄及顯示彩色圖像時，RGB是最常見的一種方案。

　　2.什么是YUV？

　　YUV是被歐洲電視系統所采用的一種顏色編碼方法（屬于PAL），是PAL和SECAM模擬彩色電視制式采用的顏色空間。

　　在現代彩色電視系統中，通常采用三管彩色攝影機或彩色CCD攝影機進行取像，然后把取得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正后得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度信號Y和兩個色差信號B－Y（即U）、R－Y（即V），最后發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。

　　由此可見，RGB和YUV都屬于顏色空間（或者叫“色彩空間”），如果不清楚色彩空間的概念。

二、RGB和YUV的優缺點

　　1.RGB缺乏與早期黑白顯示系統的良好兼容性。因此，許多電子電器廠商普遍采用的做法是，將RGB轉換成YUV顏色空間，以維持兼容，再根據需要換回RGB格式，以便在電腦顯示器上顯示彩色圖形。

　　2.YUV主要用于優化彩色視頻信號的傳輸，使其向后相容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優點在于只需占用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸）。

　　3.采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。

三、YUV和RGB的實現原理

　　1.RGB是從顏色發光的原理來設計定的，通俗點說它的顏色混合方式就好像有紅、綠、藍三盞燈，當它們的光相互疊合的時候，色彩相混，而亮度卻等于兩者亮度之總和，越混合亮度越高，即加法混合。

紅、綠、藍三盞燈的疊加情況，中心三色最亮的疊加區為白色，加法混合的特點：越疊加越明亮。

紅、綠、藍三個顏色通道每種色各分為256階亮度，在0時“燈”最弱――是關掉的，而在255時“燈”最亮。當三色灰度數值相同時，產生不同灰度值的灰色調，即三色灰度都為0時，是最暗的黑色調；三色灰度都為255時，是最亮的白色調。

RGB 顏色稱為加成色，因為您通過將 R、G 和 B 添加在一起（即所有光線反射回眼睛）可產生白色。加成色用于照明光、電視和計算機顯示器。例如，顯示器通過紅色、綠色和藍色熒光粉發射光線產生顏色。絕大多數可視光譜都可表示為紅、綠、藍 (RGB) 三色光在不同比例和強度上的混合。這些顏色若發生重疊，則產生青、洋紅和黃。

　　2.在YUV中，“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V” 表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。“亮度”是透過RGB輸入信號來建立的，方法是將RGB信號的特定部分疊加到一起。“色度”則定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用Cr和Cb來表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。

四、RGB和YUV的格式

　　1.RGB的格式

　　①網頁格式

　　②RGB555

　　③RGB565

　　④RGB24

　　⑤RGB32

　　2.YUV格式

　　YUV格式通常有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者將YUV分量存放在同一個數組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；而后者使用三個數組分開存放YUV三個分量，就像是一個三維平面一樣。

　　①YUY2（和YUYV）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節，實際表示2個像素。（4:2:2的意思實際上是一個宏像素中有2個Y分量、1個U分量和1個V分量。）圖像數據中YUV分量排列順序如下：

　　Y0 U0 Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2 …

　　②YVYU格式跟YUY2類似，只是圖像數據中YUV分量的排列順序有所不同：

　　Y0 V0 Y1 U0 Y2 V2 Y3 U2 …

　　③ UYVY格式跟YUY2類似，只是圖像數據中YUV分量的排列順序有所不同：

　　U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3 …

　　④AYUV格式帶有一個Alpha通道，并且為每個像素都提取YUV分量，圖像數據格式如下：

　　A0 Y0 U0 V0 A1 Y1 U1 V1 …

　　⑤ Y41P（和Y411）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。一個宏像素為12個字節，實際表示8個像素。圖像數據中YUV分量排列順序如下：

　　U0 Y0 V0 Y1 U4 Y2 V4 Y3 Y4 Y5 Y6 Y8 …

　　⑥ Y211格式在水平方向上Y分量每2個像素采樣一次，而UV分量每4個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節，實際表示4個像素。圖像數據中YUV分量排列順序如下：

　　Y0 U0 Y2 V0 Y4 U4 Y6 V4 …

　　⑦YVU9格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個4 x 4的宏塊，然后每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。圖像數據存儲時，首先是整幅圖像的Y分量數組，然后就跟著U分量數組，以及V分量數組。IF09格式與YVU9類似。

　　⑧IYUV格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個2 x 2的宏塊，然后每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。YV12格式與IYUV類似。

　　⑨YUV411、YUV420格式多見于DV數據中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411為每個像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。YUV420并非V分量采樣為0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減小一半色差采樣。

　　3.在DirectShow中，常見的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常見的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。

五、RGB和YUV轉換

　　對于數字視頻，定義了從 RGB 到兩個主要 YUV 的轉換。這兩個轉換都基于稱為 ITU-R Recommendation BT.709 的規范。

　　第一個轉換是 BT.709 中定義用于 50-Hz 的較早的 YUV 格式。它與在 ITU-R Recommendation BT.601 中指定的關系相同， ITU-R Recommendation BT.601 也被稱為它的舊名稱 CCIR 601。這種格式應該被視為用于標準定義 TV分辨率(720 x 576) 和更低分辨率視頻的首選 YUV 格式。它的特征由下面兩個常量 Kr 和 Kb 的值來定義：

　　Kr = 0.299

　　Kb = 0.114

　　第二個轉換為 BT.709 中定義用于 60-Hz 的較新 YUV 格式，應該被視為用于高于 SDTV 的視頻分辨率的首選格式。它的特征由下面兩個不同的常量值來定義：

　　Kr = 0.2126

　　Kb = 0.0722

　　從 RGB 到 YUV 轉換的定義以下列內容開始：L = Kr * R + Kb * B + (1