一文搞懂图像RGB和YUV编码及相互转换

硬件花园 • 来源：硬件花园 • 作者：硬件花园 • 2023-05-17 08:37 • 3987次阅读

1 色彩空间和色彩模型

色彩是人眼对于不同频率的光线的不同感受。色彩既是客观存在的，但又是主观感知的，所以不同人对色彩的感知会存在差异。为了规范色彩的表述，引入了色彩空间一词。 “色彩空间”源于西方的“Color Space”，又称作“色域”，色彩学中，人们建立了多种色彩模型，以一维、二维、三维甚至四维空间坐标来表示某一色彩，这种坐标系统所能定义的色彩范围即色彩空间。我们经常用到的色彩空间主要有RGB、CMYK、Lab等。

色彩空间

色彩模型是描述使用一组值（通常使用三个、四个值或者颜色成分）表示颜色方法的抽象数学模型。例如三原色光模式(RGB) 和印刷四分色模式(CMYK) 都是色彩模型。

不同的色彩模型的差异和优劣不在本文讨论范围之内。本文主要讨论YUV和RGB两种色彩模型的相关知识。

2 RGB色彩模型

我们知道， “色彩” 是人类大脑对事物的一种主观感觉，为了将这种 “感性” 进行 “理性” 描述，数学家们创建了 RGB 模型的概念：通过三个数的组合（色值）来表述某一种特定的颜色，从而人类可以将这种感性的色彩感受进行理性地表达和传递。

2.1 RGB三原色

RGB和CMY

rgb(255, 0, 0) 代表纯红色，rgb(0, 255, 0) 代表纯绿色，rgb(0, 0, 255) 代表纯蓝色，而 rgb(255, 255, 0) 代表纯黄色（光学中红色和绿色加法混合会呈现黄色）。

RGB三原色 通过 RGB 色彩模型，我们最多能表示出256x256x256=16777216种不同的色值，也就是我们常说的1600万色。

如果我们创建一个三维坐标系，三个轴的代表字母由X、Y、Z换成 R、G 和 B，即用 Red 代表X轴，Green代表Y轴，Blue代表Z轴，采用光学加法混色的方式构建这个立方空间的话，就形成了一个基于RGB模型的色彩空间了。

RGB三原色立体空间

我们知道通过 rgb(x, y, z)这种方式构建的每一个颜色点，都对应于这个立方体中的某一个点，也就是说每一种颜色都被包含在我们的色彩空间之内。

2.2RGB颜色模型存在的问题

因为在自然环境下获取的图像容易受自然光照、遮挡和阴影等情况的影响，即对亮度比较敏感，而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。

另外，RGB 颜色空间是一种均匀性较差的颜色空间，人眼对于这三种颜色分量的敏感程度是不一样的，在单色中，人眼对红色最不敏感，蓝色最敏感，如果颜色的相似性直接用欧氏距离来度量，其结果与人眼视觉会有较大的偏差。对于某一种颜色，我们很难推测出较为精确的三个分量数值来表示。

而且，在视频领域如果使用RGB存储的话，视频数据会非常大。

比如有一个1080p（1920*1080）分辨率、帧率为30帧的视频，如果使用RGB进行存储的话，仅仅一分钟的视频就能达到 (1920*1080*8*30*60）bit（约等于27G）。这明显是不现实的，所以我们需要对视频数据进行压缩。

基于以上两点，所以我们需要一种数据相关性没那么强的颜色编码系统或色彩空间，而YUV正好就是这样，从下面的介绍中我们就会明白。YUV能够方便地编码和传输，并且减少带宽占用和信息出错。

3 YUV色彩模型

我们先回到人类刚拥有彩色电视的时候，在