YUV学习笔记

YUV

笔记整理于网上其他人的博客和维基百科，以及雷霄骅先生的博客。

基本概念

YUV最初提出是为了解决彩色电视和黑白电视的兼容问题，YUV分别为亮度信息（Y）与色彩信息（UV）。YUV比RGB的优势在于不要求三个独立视频信号同时传输，所以占用带宽（频宽）更少。历史原因，YUV和Y’UV通常用来编码电视的模拟信号，而YCbCr则是用来描述数字的影像信号，适合影片与图片压缩以及传输，有时候看到有用Cb和Cr的方式来表示，其实等同于U和V，但应该严格区分YUV和YCbCr这两个专有名词有时并非完全相同，今天大家所讲的YUV其实就是指YCbCr。

YUV种类很多，可以理解为二维的，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。

• 空间-间：不同空间，即描述一个像素的bit数不同，如YUV444,、YUV422、YUV411、YUV420
• 空间-内：相同空间，即描述一个像素的bit数相同，但存储方式不同，比如对于YUV420而言，又可以细分为YUV420P、YUV420SP、NV21、NV12、YV12、YU12，I420

在理解YUV格式时，时刻记住从bit数、存储结构两方面考察。

YUV Formats格式分为两类：

1. 平面格式（planar formats）：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
2. 紧缩格式（packed formats）：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，主流的采样方式有四种：

• YUV444：4:4:4表示完全取样。
• YUV422：4:2:2表示2:1的水平取样，垂直完全采样。
• YUV420：4:2:0表示2:1的水平取样，垂直2：1采样。
• YUV411：4:1:1表示4:1的水平取样，垂直完全采样。

YUV和RGB互相转换

U和V组件可以被表示成原始的R，G，和B（R，G，B为γ预校正后的）

• YUV转换为RGB

$Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B$

$U = -0.169 * R - 0.331 * G + 0.5 * B + 128$

$V = 0.5 * R - 0.419 * G - 0.081 * B + 128$

• RGB转换为YUV

$R = Y + 1.13983 * (V - 128)$

$G = Y - 0.39465 * (U - 128) - 0.58060 * (V - 128)$

$B = Y + 2.03211 * (U - 128)$

YUV数据的存储方式

1. YUYV（属于YUV422）

   相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr，例如对于Y’00和Y’01而言，其Cb、Cr的均值为Cb00、Cr00，其他像素点以此类推。
   

2. UYVY（属于YUV422）

   相邻的两个Y共用其相邻的两个Cb、Cr，只不过和上面的YUYV不同的是Cb和Cr的顺序不同，其他像素点以此类推。
   

3. YUV422P

   YUV422P的P表示Planar formats（平面格式），也就是说YUV不是交错存储而是先存Y，再存U和V，对于Y’00和Y’01而言，其Cb、Cr的均值为Cb00、Cr00。
   

4. YV12（属于YUV420）

   YV12属于YUV420，也是Planar formats（平面格式），存储方式是先存储Y，再存储V，再存储U，4个Y分量共用一组UV，所以下图中Y’00、Y’01、Y’10、Y’11共用Cr00、Cb00。

   许多重要的编码器都采用YV12空间存储视频：MPEG-4（x264，XviD，DivX），DVD-Video存储格式MPEG-2，MPEG-1以及MJPEG。

   YU12则和YV12除存储方式略有不同外，其他类似，存储方式是先存储Y，再存储U，再存储V。
   

5. NV12（YUV420）

   NV12属于YUV420格式，只不过存储方式为先存储Y，再交叉存储U和V，其提取方式与YV12类似，即Y’00、Y’01、Y’10、Y’11共用Cb00、Cr00。

   NV21和NV12略有不同，先存储Y，再交叉存储V和U。
   

yuvplayer查看YUV图像

一开始打开yuv图像全是花花绿绿的，还以为是文件坏了，直到看到一句ffplay需要指定yuv图像大小，因为yuv文件不包含宽高数据所以必须用-video_size指定宽和高，这才反应过来yuvplayer需要设置宽高才能正常显示。

• Size->Custom->修改宽高
• Color->选择对应的YUV格式

ffmpeg转换及查看YUV图像

通过ffmpeg利用原始测试图片，来得到YUV420P的图像：

./ffmpeg -i ./originnal_pic/lena512color.tiff -pix_fmt yuv420p ./YUV/lena512_yuv420p.yuv

通过ffplay显示YUV图像：

./ffplay.exe -video_size 512*512 ./YUV/lena512_yuv420p.yuv

YUV Parser

简单的解析YUV图像代码，代码均来自于雷霄骅先生的博客。

运行环境：Windows10、VS2017

1. 分离YUV420P像素数据中的Y、U、V分量

分离YUV420P的Y、U、V保存为3个文件。

bool YuvParser::yuv420_split(const std::string input_url, int width, int height, int frame_num)
{
    FILE *input_file = fopen(input_url.c_str(), "rb+");
    FILE *output_y = fopen("output_420_y.y", "wb+");
    FILE *output_u = fopen("output_420_u.y", "wb+");
    FILE *output_v = fopen("output_420_v.y", "wb+");

    unsigned char *picture = new unsigned char[width * height * 3 / 2];

    for (int i = 0; i < frame_num; i++) {
        fread(picture, 1, width * height * 3 / 2, input_file);
        
        fwrite(picture, 1, width * height, output_y);
        fwrite(picture + width * height, 1, width * height / 4, output_u);
        fwrite(picture + width * height * 5 / 4, 1, width * height / 4, output_v);
    }

    delete[] picture;
    fclose(input_file);
    fclose(output_y);
    fclose(output_u);
    fclose(output_v);
    return true;
}

解析出来的图像需要用yuvplayer查看，原始图片为512*512，如下图：

解析后图片分为3个分量，Y、U、V，使用yuvplayer，在Color选项卡中选中分量Y，首先查看Y分量，尺寸为512*512。

output_420_y.yuv

U、V如下图，尺寸为256*256。

output_420_u.yuv output_420_v.yuv

2. 分离YUV444P像素数据中的Y、U、V分量

分离YUV444P的Y、U、V保存为3个文件。

bool YuvParser::yuv444_split(const std::string input_url, int width, int height, int frame_num)
{
    FILE *input_file = fopen(input_url.c_str(), "rb+");
    FILE *output_y = fopen("output_444_y.y", "wb+");
    FILE *output_u = fopen("output_444_u.y", "wb+");
    FILE *output_v = fopen("output_444_v.y", "wb+");

    unsigned char *picture = new unsigned char[width * height * 3];

    for (int i = 0; i < frame_num; i++) {
        fread(picture, 1, width * height * 3, input_file);
        
        fwrite(picture, 1, width * height, output_y);
        fwrite(picture + width * height, 1, width * height, output_u);
        fwrite(picture + width * height * 2, 1, width * height, output_v);
    }

    delete[] picture;
    fclose(input_file);
    fclose(output_y);
    fclose(output_u);
    fclose(output_v);
    return true;
}

原图依旧是lena标准图，用ffmpeg转换为YUV444P，分离后效果如下

output_444_y.yuv

output_444_u.yuv

output_444_v.yuv

3. 将YUV420P像素数据去掉颜色（灰度图）

将YUV420P格式像素数据的彩色去掉，变成纯粹的灰度图。

bool YuvParser::yuv420_gray(const std::string input_url, int width, int height, int frame_num)
{
    FILE *input_file = fopen(input_url.c_str(), "rb+");
    FILE *output_gray = fopen("output_420_gray.yuv", "wb+");

    unsigned char *picture = new unsigned char[width * height * 3 / 2];

    for (int i = 0; i < frame_num; i++) {
        fread(picture, 1, width * height * 3 / 2, input_file);
        memset(picture + width * height, 128, width * height / 2);
        fwrite(picture, 1, width * height * 3 / 2, output_gray);
    }

    delete[] picture;
    fclose(input_file);
    fclose(output_gray);
    return true;
}

处理结果如下：

output_420_gray.yuv

4. 将YUV420P像素数据的亮度减半

在YUV中Y代表亮度，所以只需要将Y减半，图像便会出现亮度减半。

bool YuvParser::yuv420_half_bright(const std::string input_url, int width, int height, int frame_num)
{
    FILE *input_file = fopen(input_url.c_str(), "rb+");
    FILE *output_half_bright = fopen("output_420_half_bright.yuv", "wb+");

    unsigned char *picture = new unsigned char[width * height * 3 / 2];

    for (int i = 0; i < frame_num; i++) {
        fread(picture, 1, width * height * 3 / 2, input_file);
        for (int cur_pixel = 0; cur_pixel < width * height; cur_pixel++) {
            // half Y
            picture[cur_pixel] /= 2;
        }
        fwrite(picture, 1, width * height * 3 / 2, output_half_bright);
    }

    delete[] picture;
    fclose(input_file);
    fclose(output_half_bright);
    return true;
}

亮度减半效果如下

output_420_half_bright.yuv

5. 将YUV420P像素数据周围加上边框

通过修改YUV数据中特定位置的亮度分量Y的数值，将Y值调到最亮（255），给图像添加一个“边框”的效果。

bool YuvParser::yuv420_border(const std::string input_url, int width, int height, int border_length, int frame_num)
{
    FILE *input_file = fopen(input_url.c_str(), "rb+");
    FILE *output_border = fopen("output_420_border.yuv", "wb+");

    unsigned char *picture = new unsigned char[width * height * 3 / 2];

    for (int i = 0; i < frame_num; i++) {
        fread(picture, 1, width * height * 3 / 2, input_file);
        for (int cur_height = 0; cur_height < height; cur_height++) {
            for (int cur_width = 0; cur_width < width; cur_width++) {
                if (cur_width < border_length || cur_width > width - border_length ||
                    cur_height < border_length || cur_height > height - border_length) {
                    picture[cur_height * width + cur_width] = 255;
                }
            }
        }
        fwrite(picture, 1, width * height * 3 / 2, output_border);
    }
    
    delete[] picture;
    fclose(input_file);
    fclose(output_border);
    return true;
}

20像素的边框效果图如下

output_420_border.yuv

6. 生成YUV420P格式的灰阶测试图

以下函数可以生成一张灰阶测试图。

bool YuvParser::yuv420_graybar(int width, int height, int y_min, int y_max, int bar_num)
{
    FILE *output_graybar = fopen("output_420_graybar.yuv", "wb+");

    unsigned char *picture = new unsigned char[width * height * 3 / 2];
    
    if (bar_num == 1 && y_max != y_min) {
        return false;
    }

    float luma_range = (float)(y_max - y_min) / (float)(bar_num > 1 ? bar_num - 1 : bar_num);
    unsigned char cur_luma = y_min;
    int cur_block = 0;
    int bar_width = width / bar_num;

    // write Y
    for (int cur_height = 0; cur_height < height; cur_height++) {
        for (int cur_width = 0; cur_width < width; cur_width++) {
            cur_block = (cur_width / bar_width == bar_num) ? (bar_num - 1) : (cur_width / bar_width);
            cur_luma = y_min + (unsigned char)(cur_block * luma_range);
            picture[cur_height * width + cur_width] = cur_luma;
        }
    }

    // NOTE: write U and write V can use memset to set,
    //       write them separately to make them easier
    //       to understand
    
    // write U
    for (int cur_height = 0; cur_height < height / 2; cur_height++) {
        for (int cur_width = 0; cur_width < width / 2; cur_width++) {
            picture[height * width + cur_height * width / 2 + cur_width] = 128;
        }
    }

    // write V
    for (int cur_height = 0; cur_height < height / 2; cur_height++) {
        for (int cur_width = 0; cur_width < width / 2; cur_width++) {
            picture[height * width * 5 / 4 + cur_height * width / 2 + cur_width] = 128;
        }
    }

    fwrite(picture, 1, width * height * 3 / 2, output_graybar);

    delete[] picture;
    fclose(output_graybar);
    return true;
}

简单学雷神测试下10阶灰阶测试图，宽1024像素，高512，效果如下图。

output_420_graybar.yuv

各个灰度条Y、U、V值如下

Y	U	V
0	128	128
28	128	128
56	128	128
85	128	128
113	128	128
141	128	128
170	128	128
198	128	128
226	128	128
255	128	128

7. 计算两个YUV420P像素数据的PSNR

PSNR是最基本的视频质量评价方法，对于8bit量化的像素数据来说，计算方法如下：
$PSNR = 10 * \lg(\frac{255}{MSE})$
其中MSE计算方式为：
$MSE = \frac{1}{M * N}\sum_{i = 1}^M\sum_{j = 1}^N(x_{ij} - y_{ij})^2$
其中M、N代表图像的宽和高， $x_{ij}$和 $y_{ij}$分别为两张图像每一个像素值，用来计算受损图像和原始图像之间的差别，评估受损图像的质量。PSNR取值通常情况下都在20-50的范围内，取值越高，代表两张图像越接近，反映出受损图像质量越好。

bool YuvParser::yuv420_psnr(const std::string input_url1, const std::string input_url2, int width, int height, int frame_num)
{
    FILE *input_file1 = fopen(input_url1.c_str(), "rb+");
    FILE *input_file2 = fopen(input_url2.c_str(), "rb+");

    unsigned char *picture1 = new unsigned char[width * height * 3 / 2];
    unsigned char *picture2 = new unsigned char[width * height * 3 / 2];

    for (int i = 0; i < frame_num; i++) {
        fread(picture1, 1, width * height * 3 / 2, input_file1);
        fread(picture2, 1, width * height * 3 / 2, input_file2);

        double mse_total = 0, mse = 0, psnr = 0;
        for (int cur_pixel = 0; cur_pixel < width * height; cur_pixel++) {
            mse_total += pow((double)(picture1[cur_pixel] - picture2[cur_pixel]), 2);
        }
        mse = mse_total / (width * height);
        psnr = 10 * log10(255.0 * 255.0 / mse);
        printf("frame_num=%d psnr=%5.3f\n", frame_num, psnr);

        // Skip the UV component
        fseek(input_file1, width * height / 2, SEEK_CUR);
        fseek(input_file2, width * height / 2, SEEK_CUR);
    }

    delete[] picture1;
    delete[] picture2;
    fclose(input_file1);
    fclose(input_file2);
    return true;
}

由于我不晓得怎么让图片损坏，所以图片选用雷神的256*256的lena素材。

结果如下，为26.693：

output_420_psnr.yuv

未完待续

YUV整理弄了两天，代码跟着都敲了一遍，感觉现在格式已经搞懂了， 但是还有不懂得地方：

1. 为什么U、V分量的无色是128？
2. 如果像素不是4的倍数，那么YUV是怎么存储的？
3. YUV4:2:0这些数字的解释是啥，虽然上面有总结到，但是还是一知半解？

后面还要做的：

1. 利用ffmpeg搞一个YUV视频分离工具。

   我已经看到有人做过了，后面写~~~链接先贴着

   https://blog.csdn.net/longjiang321/article/details/103229035