本系列主要介紹圖像信號(hào)處理器 (ISP, image signal processor) 中各核心算法模塊的設(shè)計(jì)以及相關(guān)的前沿研究，以典型的相機(jī)成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，涉及的內(nèi)容包括各類(lèi)缺陷校正，去馬賽克，去噪，3A算法（自動(dòng)對(duì)焦，自動(dòng)曝光，自動(dòng)白平衡），超分，HDR，風(fēng)格遷移等主題。
本文介紹RGB色彩空間和YUV色域之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系以及目前常用的YUV存儲(chǔ)格式。
RGB顏色空間
國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定以藍(lán)=435.8nm，綠=546.1nm，紅=700nm作為主原色，因此，紅、綠、藍(lán)也被稱(chēng)為三原色。RGB顏色空間利用三原色紅、綠、藍(lán)的不同比例相加合成產(chǎn)生各種不同的顏色。如下圖所示，通過(guò)將紅色、綠色、藍(lán)色映射到三維笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)創(chuàng)建RGB顏色空間。
圖1
R、G、B取值常用8比特表示，因此代表三基色的紅、綠、藍(lán)通道分別用0~255的整數(shù)表示強(qiáng)度。0表示無(wú)光，亮度最暗；255表示強(qiáng)度最大，亮度最亮。（0，0，0）表示純黑色；（255，255，255）表示白色。
RGB顏色空間在電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的圖像顏色顯示系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，是我們接觸最多的顏色空間。RGB顏色空間最大的優(yōu)點(diǎn)就是直觀，容易理解。但是RGB空間的缺點(diǎn)是R、G、B這3個(gè)分量是高度相關(guān)的，RGB顏色空間的三個(gè)分量都與亮度密切相關(guān)，即只要亮度改變，三個(gè)分量都會(huì)隨之相應(yīng)地改變。如下圖，RGB三個(gè)分量的強(qiáng)度均在一定程度上反映了圖像中的亮度信息。
圖2
YUV顏色空間
YCbCr顏色空間，又常被稱(chēng)作YUV顏色空間，是用于數(shù)字電視的顏色空間，在ITU-R BT.601、BT.709、BT.2020標(biāo)準(zhǔn)中被明確定義，這三種標(biāo)準(zhǔn)分別針對(duì)標(biāo)清、高清、超高清數(shù)字電視。Y是亮度，Cb（U）、Cr（V）表示色度，描述顏色的色調(diào)與飽和度。其中Cr反映RGB中紅色部分與Y亮度值之間的差異；Cb則反映藍(lán)色部分與亮度值之間的差異。在廣播電視中，使用YCbCr可解決黑白電視和彩色電視之間的信號(hào)兼容問(wèn)題。
轉(zhuǎn)換方法
RGB顏色空間到Y(jié)UV顏色空間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)如下。
YUV存儲(chǔ)格式
由于人眼對(duì)色度變化沒(méi)有對(duì)亮度變化敏感，在圖像質(zhì)量損失忽略不計(jì)的前提下，可以降低Cb、Cr通道的采樣率，從而有效壓縮Cb、Cr通道的數(shù)據(jù)量，使圖像數(shù)據(jù)占用較少的空間。常見(jiàn)的YCbCr采樣頻率格式包括4：4：4，4：2：2以及4：2：0，如下圖所示。
圖3
YUV4:4:4采樣中每一個(gè)像素點(diǎn)的Y分量對(duì)應(yīng)一組UV分量， YUV4:2:2采樣每?jī)蓚€(gè)左右相鄰的像素點(diǎn)的Y分量共用一組UV分量；YUV4:2:0采樣每四個(gè)上下左右相鄰的像素點(diǎn)的Y分量共用一組UV分量。根據(jù)不同的采樣方式，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)的排列方式也有所不同。
01
YUV 4:4:4 存儲(chǔ)格式
YUV4:4:4在存儲(chǔ)格式上和RGB圖像的存儲(chǔ)方法一致，Y、U、V三個(gè)分量連續(xù)存放，如下圖所示。
圖4
02
YUV 4:2:2 存儲(chǔ)格式
YUYV格式為YUV422采樣的存儲(chǔ)格式中的一種，遵循YUV422存儲(chǔ)格式的基本原則，相鄰的兩個(gè)像素點(diǎn)的Y共用其相鄰的兩個(gè)U、V。對(duì)于相鄰兩個(gè)像素點(diǎn)的Y00、Y01而言，其U、V的值均為 U00、V00，其他的像素點(diǎn)的YUV取值依此類(lèi)推。
圖5
UYVY格式也是YUV422采樣的存儲(chǔ)格式中的一種，與YUYV不同的是UV排列順序不一樣，UV共用方法與上述一致。
圖6
YUV422P格式也屬于YUV422采樣的存儲(chǔ)格式中的一種，它是一種Plane模式，即平面模式。與上述兩種存儲(chǔ)方式的區(qū)別在于并不是將YUV數(shù)據(jù)交錯(cuò)存儲(chǔ)，而是先存放所有的Y分量，然后再存儲(chǔ)所有的U分量，最后存儲(chǔ)所有的V分量。
圖7
03
YUV 4:2:0 存儲(chǔ)格式
YU12格式和YV12格式均屬于YUV420格式，也是一種Plane模式，將Y、U、V分開(kāi)依次存儲(chǔ)。其中每一個(gè)像素點(diǎn)的YUV數(shù)據(jù)遵循YUV420存儲(chǔ)格式的基本原則，即4個(gè)Y分量共用一組UV。如下圖所示。
圖8
V12格式和NV21格式也屬于YUV420格式，是一種two-plane格式，即Y分量和UV分量各自占一部分， UV分量交錯(cuò)存儲(chǔ)。
圖9
參考文獻(xiàn)：
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