图像信号处理芯片设计原理----11 RGB转YUV及YUV格式
本系列主要介绍图像信号处理器 (ISP, image signal processor) 中各核心算法模块的设计以及相关的前沿研究，以典型的相机成像系统为基础，涉及的内容包括各类缺陷校正，去马赛克，去噪，3A算法（自动对焦，自动曝光，自动白平衡），超分，HDR，风格迁移等主题。
本文介绍RGB色彩空间和YUV色域之间的转换关系以及目前常用的YUV存储格式。
RGB颜色空间
国际照明委员会（CIE）规定以蓝=435.8nm，绿=546.1nm，红=700nm作为主原色，因此，红、绿、蓝也被称为三原色。RGB颜色空间利用三原色红、绿、蓝的不同比例相加合成产生各种不同的颜色。如下图所示，通过将红色、绿色、蓝色映射到三维笛卡尔坐标系来创建RGB颜色空间。
R、G、B取值常用8比特表示，因此代表三基色的红、绿、蓝通道分别用0~255的整数表示强度。0表示无光，亮度最暗；255表示强度最大，亮度最亮。（0，0，0）表示纯黑色；（255，255，255）表示白色。
RGB颜色空间在电视机和计算机的图像颜色显示系统中广泛应用，是我们接触最多的颜色空间。RGB颜色空间最大的优点就是直观，容易理解。但是RGB空间的缺点是R、G、B这3个分量是高度相关的，RGB颜色空间的三个分量都与亮度密切相关，即只要亮度改变，三个分量都会随之相应地改变。如下图，RGB三个分量的强度均在一定程度上反映了图像中的亮度信息。
YUV颜色空间
YCbCr颜色空间，又常被称作YUV颜色空间，是用于数字电视的颜色空间，在ITU-R BT.601、BT.709、BT.2020标准中被明确定义，这三种标准分别针对标清、高清、超高清数字电视。Y是亮度，Cb（U）、Cr（V）表示色度，描述颜色的色调与饱和度。其中Cr反映RGB中红色部分与Y亮度值之间的差异；Cb则反映蓝色部分与亮度值之间的差异。在广播电视中，使用YCbCr可解决黑白电视和彩色电视之间的信号兼容问题。
转换方法
RGB颜色空间到YUV颜色空间的转换标准如下。
1. BT.601标准[1]——标清数字电视（SDTV)
2. BT.709标准[2]——高清数字电视（HDTV)
3. BT.2020标准[3]——超高清数字电视（UHDTV)
YUV存储格式
由于人眼对色度变化没有对亮度变化敏感，在图像质量损失忽略不计的前提下，可以降低Cb、Cr通道的采样率，从而有效压缩Cb、Cr通道的数据量，使图像数据占用较少的空间。常见的YCbCr采样频率格式包括4：4：4，4：2：2以及4：2：0，如下图所示。
YUV4:4:4采样中每一个像素点的Y分量对应一组UV分量， YUV4:2:2采样每两个左右相邻的像素点的Y分量共用一组UV分量；YUV4:2:0采样每四个上下左右相邻的像素点的Y分量共用一组UV分量。根据不同的采样方式，数据在存储时的排列方式也有所不同。
YUV 4:4:4 存储格式
YUV4:4:4在存储格式上和RGB图像的存储方法一致，Y、U、V三个分量连续存放，如下图所示。
YUV 4:2:2 存储格式
1. YUYV
YUYV格式为YUV422采样的存储格式中的一种，遵循YUV422存储格式的基本原则，相邻的两个像素点的Y共用其相邻的两个U、V。对于相邻两个像素点的Y00、Y01而言，其U、V的值均为 U00、V00，其他的像素点的YUV取值依此类推。
2. YVYU
UYVY格式也是YUV422采样的存储格式中的一种，与YUYV不同的是UV排列顺序不一样，UV共用方法与上述一致。
3. YUV422P
YUV422P格式也属于YUV422采样的存储格式中的一种，它是一种Plane模式，即平面模式。与上述两种存储方式的区别在于并不是将YUV数据交错存储，而是先存放所有的Y分量，然后再存储所有的U分量，最后存储所有的V分量。
YUV 4:2:0 存储格式
1. YU12，YV12
YU12格式和YV12格式均属于YUV420格式，也是一种Plane模式，将Y、U、V分开依次存储。其中每一个像素点的YUV数据遵循YUV420存储格式的基本原则，即4个Y分量共用一组UV。如下图所示。
2. NV12，NV21
V12格式和NV21格式也属于YUV420格式，是一种two-plane格式，即Y分量和UV分量各自占一部分， UV分量交错存储。
参考文献：
[1] RecommendationITU-R BT.601-7 (03/2011), Studio encoding parameters of digital television forstandard 4:3 and wide-screen 16:9 aspect ratios, BT SeriesBroadcasting service(television),Electronic Publication Geneva, 2015.
[2] RecommendationITU-R BT.709-6 (06/2015), Parameter values for the HDTV standards forproduction and international programme exchange, BT Series Broadcasting service(television), Electronic PublicationGeneva, 2015.
[3] RecommendationITU-R BT.2020-2 (10/2015), Parameter values for ultra-high definitiontelevision systems for production and international programme exchange, BTSeries Broadcasting service (television),ElectronicPublication Geneva, 2015.
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