色彩模式RGB&YUV格式分析
摘要：先來個(gè)小測試，您看封面圖的數(shù)字是5還是2?這個(gè)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(shí)別萬色萬物，而機(jī)器中是怎么樣識(shí)別的呢?
我們這樣看著世界
人們都知道，把大象放進(jìn)冰箱需要三步，而人眼把世界放進(jìn)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(hào))——轉(zhuǎn)成神經(jīng)信號(hào)傳到大腦(通過通訊系統(tǒng)將信號(hào)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(chǔ)的格式)。
所以，人眼開始看到的圖像格式由光信號(hào)轉(zhuǎn)化成了神經(jīng)中的電信號(hào)與化學(xué)信號(hào)，傳播格式已經(jīng)不同了!機(jī)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(gè)個(gè)像素點(diǎn)組成的，里面絢麗的色彩也就只是出自像素點(diǎn)上紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)(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(jì)算機(jī)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(shí)為白色，零時(shí)為黑色，而介于兩者間的就是世間百色了。
每個(gè)像素點(diǎn)就像一個(gè)顏料盒，盒子越大，裝的色彩種類越多，則這個(gè)像素點(diǎn)能表達(dá)的色彩越豐富，而這個(gè)盒子的大小在電腦里叫做存儲(chǔ)空間，調(diào)色的方式則是改變?nèi)?，下面的表越往下，所需要的存?chǔ)空間越大，但每個(gè)像素點(diǎn)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
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格式 |
說明 |
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RGB1 |
2色，每個(gè)像素用1位表示 |
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RGB4 |
16色，每個(gè)像素用4位表示 |
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RGB8 |
256色，每個(gè)像素用8位表示 |
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RGB565 |
每個(gè)像素用16位表示，RGB分量分別使用5位、6位、5位 |
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RGB16 |
每個(gè)像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下的1位不用 |
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RGB24 |
每個(gè)像素用24位表示，RGB分量各使用8位 |
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RGB32 |
每個(gè)像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位不用） |
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ARGB32 |
每個(gè)像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位用于表示Alpha通道值） |
1.2 眼球上的格式——YUV圖像格式
與RGB視頻信號(hào)傳輸相比，YUV最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需占用極少的帶寬(RGB要求三個(gè)獨(dú)立的視頻信號(hào)同時(shí)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(chǔ)的時(shí)候?yàn)榱斯?jié)約空間(偷工解料?)、方便打包就用了亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)R-Y(紅色-亮度，即U)、B-Y(藍(lán)色-亮度，即V)分別進(jìn)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(shí)候也許你會(huì)問“咦，G(綠色)哪去了”，其實(shí)兩種顏色加亮度也能通過算法大致表達(dá)出原本的顏色(果然偷工減料)，所以就算是融合進(jìn)R和B里了。
難道只為了省點(diǎn)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(hào)Y和色度信號(hào)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(huì)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(gè)重要參數(shù)，其實(shí)平時(shí)我們看一個(gè)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(gè)Y，2表示存放流碼中有2個(gè)U色差值，第二個(gè)2表示存放流碼中有2個(gè)V色差值。
下面的四個(gè)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(gè)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(dá)，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(jìn)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。
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