音视频编解码: YUV采样格式中的YUV444,YUV422,YUV420理解

YUV各种采样格式的说明

通常我们用RGB表示一种彩色。计算机系统里的LCD显示的数据就是RGB来表示每个像素的颜色。
而在我们生活里，有黑白电视机与彩色电视机两种，拍摄节目源时不可以用两种不同的摄像机来存放两种图像数据。
所以为了兼容两种电视机，专家就引入YUV格式代替RGB，其中Y表示亮度， U和V表示色差。 黑白电视机只用Y信号， 而彩色电视机可由YUV转换成RGB再显示颜色。

通常我们所用的YUV格式是 ITU-R 的标准 , 也叫YCbCr.

YUV是由RGB格式的数据转换得来。

Y    Y = 0.299 x R + 0.587 x G + 0.114 x B + 0 
U    Cb = -0.169 x R - 0.331 x G + 0.499 x B + 128 
V    Cr = 0.499 x R - 0.418 x G - 0.0813 x B + 128 
 
Y    Y = 0.299 x R + 0.587 x G + 0.114 x B + 0 
U    Cb = -0.169 x R - 0.331 x G + 0.499 x B + 128 
V    Cr = 0.499 x R - 0.418 x G - 0.0813 x B + 128 

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YUV4:4:4 
其实就是YUV的数据各占用8位， 每个像素都由YUV组成

同一行的相邻4个像素数据:   Y0U0V0    Y1U1V1   Y2U2V2  Y3U3V3
              存储时:    Y0U0V0    Y1U1V1   Y2U2V2  Y3U3V3  //即每个像素YUV的数据都会存放起来
为什么叫4:4:4 , 意思就是4个像素里的数据有4个Y， 4个U, 4个V

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YUV4:2:2
其实绝大部分相邻的两个像素，数据差异应不大。所以为了节点空间便于存储，丢失每个像素的部分数据。
专家研究表明我们人对亮度比较敏感，而对色彩不怎么敏感。所以每个像素的亮度Y数据是绝对不动的，而色差数据可以进行丢弃。

同一行的相邻4个像素数据:   Y0U0V0    Y1U1V1   Y2U2V2  Y3U3V3
          　　 存储时:   Y0U0      Y1V1 　　 Y2U2 　 Y3V3  // 每两个相邻的像素， 一个丢弃V数据，一个丢弃U数据
为什么叫4:2:2,  意思就是相邻的4个像素里有4个Y， 2个U， 2个V。 按上面存储的顺序也叫YUYV.
 
但还原成RGB数据必须需要YUV, 像第一个像素只有Y0U0是没法还原的，这时只能用下一像素的V1数据。
      还原时的YUV：  [Y0U0V1] [Y1U0V1] [Y2U2V3] [Y3U2V3]  // 这样还原理论上会对图像的质量有影响的，但我们看不出来的.

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YUV4:2:0
专家们进一步研究表示，每一行的相邻两个像素与下一行同位置的两个像素数据差异不大，可以进一步的丢数据。

如两行的像素数据：
           Y00U00V00   Y01U01V01   Y02U02V02   Y03U03V03  ....  
           Y88U88V88   Y89U89V89   Y90U90V90   Y91U91V91  ....
 
存储时：    Y00U00 　　　Y01 　　　　　Y02U02  　　Y03    // 每个像素的Y数据保留， 两个像素数据只保留一个U数据。这一行不保留V数据(YUV:  420)
           Y88V88 　　　Y89 　　　　　Y90V90  　　Y91    // ....  两个像素数据只保留一个V数据， 这行不保留U数据(YUV:  402)
 
还原时只能相同位置的上下两行4个像素结合还原:
        Y00U00V88  Y01U00V88  Y02U02V90  Y03U02V90
        Y88U00V88  Y89U00V88  Y90U02V90  Y91U02V90

YUV各种采样格式的比较 

我们以一张大小为1280*720的图像为例：
在RGB 图像中，每个像素点都有红、绿、蓝三个原色，其中每种原色都占用 8 bit，也就是一个字节，那么一个像素点也就占用 24 bit，也就是三个字节。
一张 1280 * 720 大小的图片，就占用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存储空间。

【使用YUV4:4:4格式采样的大小】
YUV4:4:4格式意味着Y、U、V三个分量的采集比例相同，因此在生成的图像里，每个像素的三个分量信息完整，都是8bit，也就是一个字节。
那么它的采样大小为
3 * 1280 * 720 / 1024 / 1024 = 2.63MB
与原始RGB图像相比大小是一样的。

【使用YUV4:2:2格式采样的大小】
YUV4:2:2格式的采样特征是在每相临的两个像素，一个丢弃U分量，一个丢弃V分量，那么它的采样大小为：
(8 + 8) * 1280 * 720 / 8 / 1024 / 1024 = 1.76MB
可以看到 YUV 4:2:2 采样的图像比 RGB 模型图像节省了三分之一的存储空间，在传输时占用的带宽也会随之减少。

【使用YUV4:2:0格式采样的大小】
YUV4:2:0格式的采样特征是所有像素都保留Y分量，同一行的像素只保留U分量，或者是V分量，同一行中相临的两个像素只保留同一个Y分量或者U分量。
那么它的采样大小为：
(8 * 1280 * 720 + 8 * 1280 * 720 / 2 / 2 + 8 * 1280 * 720 / 2 / 2) / 8 / 1024 / 1024 = 1.32MB
可以看到 YUV 4:2:0 采样的图像比 RGB 模型图像节省了一半的存储空间，因此它也是比较主流的采样方式。

参考链接：

1.一文读懂 YUV 的采样与格式

2.最简单解释 YUV444,YUV422,YUV420中的4,2,0