一針見血

         計算機顯示彩色圖像的時候也不例外，最終顯示的時候，要控制一個像素中Red,Green,Blue的值，來確定這個像素的顏色。計算機中無法模擬連續(xù)的存儲從最暗到最亮的量值，而只能以數(shù)字的方式表示。于是，結(jié)合人眼睛的敏感程度，使用3個字節(jié)（3*8位）來分別表示一個像素里面的Red,Green和Blue的發(fā)光強度數(shù)值，這就是常見的RGB格式。我們可以打開畫圖板，在自定義顏色工具框中，輸入r,g,b值，得到不同的顏色。



但是對于視頻捕獲和編解碼等應(yīng)用來講，這樣的表示方式數(shù)據(jù)量太大了。需要想辦法在不太影響感覺的情況下，對原始數(shù)據(jù)的表示方法進行更改，減少數(shù)據(jù)量。

         無論中間處理過程怎樣，最終都是為了展示給人觀看，這樣的更改，也是從人眼睛的特性出發(fā)，和發(fā)明RGB三原色表示方法的出發(fā)點是一樣的。

         于是我們使用Y,Cb,Cr模型來表示顏色。Iain的書中寫道：The human visual system (HVS) is less sensitive to colour than to luminance (brightness).人類視覺系統(tǒng)（其實就是人的眼睛）對亮度的感覺比對顏色更加敏感。

         在RGB色彩空間中，三個顏色的重要程度相同，所以需要使用相同的分辨率進行存儲，最多使用RGB565這樣的形式減少量化的精度，但是3個顏色需要按照相同的分辨率進行存儲，數(shù)據(jù)量還是很大的。所以，利用人眼睛對亮度比對顏色更加敏感，將圖像的亮度信息和顏色信息分離，并使用不同的分辨率進行存儲，這樣可以在對主觀感覺影響很小的前提下，更加有效的存儲圖像數(shù)據(jù)。

         YCbCr色彩空間和它的變形（有時被稱為YUV）是最常用的有效的表示彩色圖像的方法。Y是圖像的亮度（luminance/luma）分量，使用以下公式計算，為R,G,B分量的加權(quán)平均值：

         Y = kr R + kgG + kbB

        其中k是權(quán)重因數(shù)。

        上面的公式計算出了亮度信息，還有顏色信息，使用色差（color difference/chrominance或chroma）來表示，其中每個色差分量為R,G,B值和亮度Y的差值：

　　Cb = B －Y

　　Cr = R －Y

Cg = G－ Y

其中，Cb+Cr+Cg是一個常數(shù)（其實是一個關(guān)于Y的表達式），所以，只需要其中兩個數(shù)值結(jié)合Y值就能夠計算出原來的RGB值。所以，我們僅保存亮度和藍色、紅色的色差值，這就是(Y,Cb,Cr)。

相比RGB色彩空間，YCbCr色彩空間有一個顯著的優(yōu)點。Y的存儲可以采用和原來畫面一樣的分辨率，但是Cb,Cr的存儲可以使用更低的分辨率。這樣可以占用更少的數(shù)據(jù)量，并且在圖像質(zhì)量上沒有明顯的下降。所以，將色彩信息以低于量度信息的分辨率來保存是一個簡單有效的圖像壓縮方法。

在COLOUR SPACES .17 ITU-R recommendation BT.601 中，建議在計算Y時，權(quán)重選擇為kr=0.299,kg=0.587,kb=0.114。于是常用的轉(zhuǎn)換公式如下：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

Cb = 0.564(B － Y )

Cr = 0.713(R － Y )

R = Y + 1.402Cr

G = Y - 0.344Cb - 0.714Cr

B = Y + 1.772Cb

有了這個公式，我們就能夠?qū)⒁环?/span>RGB畫面轉(zhuǎn)換成為YUV畫面了，反過來也可以。下面將畫面數(shù)據(jù)究竟是以什么形式存儲起來的。

在RGB24格式中，對于寬度為w,高度為h的畫面，需要w*h*3個字節(jié)來存儲其每個像素的rgb信息，畫面的像素數(shù)據(jù)是連續(xù)排列的。按照r(0,0),g(0,0),b(0,0);r(0,1),g(0,1),b(0,1);…;r(w-1,0),g(w-1,0),b(w-1,0);…;r(w-1,h-1),g(w-1,h-1),b(w-1,h-1)這樣的順序存放起來。

在YUV格式中，以YUV420格式為例。寬度為w高度為h的畫面，其亮度Y數(shù)據(jù)需要w*h個字節(jié)來表示（每個像素點一個亮度）。而Cb和Cr數(shù)據(jù)則是畫面中4個像素共享一個Cb,Cr值。這樣Cb用w*h/4個字節(jié)，Cr用w*h/4個字節(jié)。

YUV文件中，把多個幀的畫面連續(xù)存放。就是YUV YUV YUV…..這樣的不斷連續(xù)的形式，而其中每個YUV，就是一幅畫面。

在這單個YUV中，前w*h個字節(jié)是Y數(shù)據(jù)，接著的w*h/4個字節(jié)是Cb數(shù)據(jù)，再接著的w*h/4個字節(jié)為Cr數(shù)據(jù)。

在由這樣降低了分辨率的數(shù)據(jù)還原出RGB數(shù)據(jù)的時候，就要依據(jù)像素的位置找到它對應(yīng)的Y,Cb,Cr值，其中Y值最好找到，像素位置為x,y的話，Y數(shù)據(jù)中第y*width+x個數(shù)值就是它的Y值。Cb和Cr由于是每2x2像素的畫面塊擁有一個，這樣Cb和Cr數(shù)據(jù)相當(dāng)于兩個分辨率為w/2 * h/2的畫面，那么原來畫面中的位置為x,y的像素，在這樣的低分辨率畫面中的位置是x/2,y/2，屬于它的Cb,Cr值就在這個地方：(y/2)*(width/2)+(x/2)。

為了直觀起見，再下面的圖中，分別將Y畫面(Cb,Cr=0)和Cb,Cr畫面(Y=128)顯示出來，可見Cb,Cr畫面的分辨率是Y畫面的1/4。但是合成一個畫面之后，我們的眼睛絲毫感覺不到4個像素是共用一個Cb,Cr的。

將Cb,Cr畫面放大觀察，里面顏色相同的塊都是2x2大小的。

附件為Windows Mobile上使用公式進行YUV到RGB轉(zhuǎn)換的程序。其中需要注意的是Cb,Cr在計算過程中是會出現(xiàn)負(fù)數(shù)的，但是從-128到127這些數(shù)值都用一個字節(jié)表示，讀取的時候就映射0到255這個區(qū)間，成為了無符號的值，所以要減去128，才能參與公式計算。這樣的運算有浮點運算，效率是比較低的，所以要提高效率的話，一般在實用程序中使用整數(shù)計算或者查表法來代替。還有，運算后的r,g,b可能會超過0-255的區(qū)間，作一個判斷進行調(diào)整就可以了。