淺談YUV444、YUV422、YUV420

淺談YUV444、YUV422、YUV420

    威創(chuàng)網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)有效解決了圖像質(zhì)量與圖像傳輸帶寬這一對技術(shù)矛盾，兼顧了控制室大屏圖像顯示能好能快的需求。

    本期將會給大家介紹YUV相關(guān)基礎(chǔ)知識，同時也介紹威創(chuàng)網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)的卓越色彩處理技術(shù)。

    1.什么是YUV色彩空間

    2.YUV采樣格式

    3.YUV不同采樣格式對圖像畫質(zhì)的影響分析

    4.威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)的雙流/雙引擎壓縮技術(shù)

    一、什么是YUV色彩空間?

    YUV是視頻、圖片、相機等應用中常常使用的一類圖像格式，是所有“YUV”像素格式共有的顏色空間的名稱。與RGB格式（紅-綠-藍）不同，YUV格式用一個稱為Y（相當于灰度）的“亮度”分量和兩個“色度”分量表示，分別稱為U（藍色投影）和V（紅色投影）。對于同一個觀測像素點，在RGB空間和YUV空間可進行了不同角度的表示，兩者滿足單射線性變換，兩者可以通過線性變換公式進行轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 RGB空間與YUV空間

    YUV也可以稱為YCbCr，雖然這些術(shù)語定義略有不同，但它們往往會混淆并可互換使用。

    Y表示亮度分量：如果只顯示Y的話，圖像看起來會是一張黑白照。

    U（Cb）表示色度分量：B－Y，圖像藍色部分去掉亮度,反映了RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。

    V（Cr）表示色度分量：R－Y，圖像紅色部分去掉亮度,反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。

    二、YUV采樣格式

    從前述定義中，可以了解YUV空間描述RGB空間的像素顏色按“亮度”分量和兩個“色度”分量進行了表示。這種編碼表示也更加適應于人眼，據(jù)研究表明，人眼對亮度信息比色彩信息更加敏感。而YUV下采樣就是根據(jù)人眼的特點，將人眼相對不敏感的色彩信息進行壓縮采樣，得到相對小的文件進行播放和傳輸。

    1）YUV444

    色度信號分辨率最高的格式是YUV4:4:4，每4點Y采樣，就有相對應的4點U和4點V。換句話說，每個Y值對應一個U和一個V值。在這種格式中，色度信號的分辨率和亮度信號的分辨率是相同的。這種格式主要應用在視頻處理設(shè)備內(nèi)部，避免畫面質(zhì)量在處理過程中降低。

圖2 YUV444采樣格式

    一種簡單的YUV444區(qū)分方法：如圖2所示，4個Y值，第1行獲得4組UV色度值（如像素1、2、3、4均可獨立表示），第2行也獲得4組UV色度值（如像素5、6、7、8均可獨立表示）。

    2）YUV422

    色度信號分辨率格式Y(jié)UV4:2:2，每4點Y采樣，就有相對應的2點U和2點V�？梢钥吹皆谒�平方向上的色度表示進行了2倍下采樣，因此YUV422色度信號分辨率是亮度信號分辨率的一半。

    圖3 YUV422采樣格式

    一種簡單的YUV422區(qū)分方法：如圖3所示，4個Y值，第1行獲得2組UV色度值（其中像素1、2合并為1組UV值表示，3、4合并為1組），第2行獲得2組UV色度值（其中像素5、6合并為1組，7、8合并為1組）。

    3）YUV420

    色度信號分辨率格式Y(jié)UV4:2:0，每4點Y采樣，就有相對應的1點U和1點V。YUV420色度信號分辨率是亮度信號分辨率的1/4。

    圖4 YUV420采樣格式

    一種簡單的YUV420區(qū)分方法：如圖4所示，4個Y值，第1行獲得2組UV色度值（其中1、2合并為1組，3、4合并為1組），第2行獲得0組UV色度值（5-8像素的色度值全丟棄）。即在水平方向壓縮的基礎(chǔ)上，再在垂直方向上再進行了壓縮。

    三、YUV不同采樣格式對圖像畫質(zhì)的影響分析

    根據(jù)前述的YUV采樣格式分析，這里我們分析一下對圖像畫質(zhì)的影響。我們將一個原始圖像為8*8像素的紅藍相間的圖案，分別按YUV444、YUV422、YUV420不同的采用格式采樣，然后再還原輸出。

    圖5(a)：我們可以看到Y(jié)UV444的色度信號的分辨率和亮度信號的分辨率無損失，我們獲得了與原始圖案一致的還原畫面圖案。

    圖5(b)：YUV422獲得還原圖案在水平方向上，已經(jīng)出現(xiàn)了丟失，從綠色所框選的像素來看，YUV422在水平方向上丟失了另一個像素點的色彩值，故在畫面還原時僅是對前一個像素值簡單的復制重構(gòu)。

    圖5(c)：YUV420獲得還原圖案在水平方向以及垂直方向上，均出現(xiàn)了丟失，獲得的還原圖像與原始圖像出現(xiàn)很大的失真。

圖5 YUV不同采樣格式對圖像畫質(zhì)

    由圖5所示的直觀觀測，對圖像高頻細節(jié)的圖像表達上，YUV444優(yōu)于YUV422，YUV422優(yōu)于YUV420。

    在信號傳輸帶寬的節(jié)省上，YUV420效率優(yōu)于YUV444，YUV422優(yōu)于YUV444。因此在普通的視頻編解碼算法上，為節(jié)省傳輸帶寬開銷，普遍采用YUV420或者YUV422的采樣格式。

    四、威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)的雙流/雙引擎壓縮技術(shù)

    圖像質(zhì)量與圖像傳輸帶寬是一對技術(shù)矛盾體：高圖像質(zhì)量往往需要高傳輸帶寬，我們無法既獲得無損高質(zhì)量圖像的同時又獲得低傳輸帶寬。

    針對前述技術(shù)矛盾，威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)的坐席發(fā)送節(jié)點采用雙流/雙壓縮編碼引擎技術(shù)：針對坐席交互操作計算機畫面采用最新一代淺壓縮編碼引擎，適合于高畫質(zhì)及低時延的超低時延要求；針對信號窗口預監(jiān)、回顯畫面采用H26X壓縮編碼引擎，適合于高壓縮率的互聯(lián)網(wǎng)應用場景要求。威創(chuàng)所采用的雙流/雙壓縮編碼引擎技術(shù)產(chǎn)品使得在現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施上適合于核心業(yè)務的高畫質(zhì)低時延需求，又滿足了海量視頻信號預監(jiān)回顯的需要。其主要特色優(yōu)勢如下：

    ◆整體性能低至毫秒級（低于17毫秒）的編碼時延，最低可達行級視頻線延時；

    ◆最大響應能力，可獲得超低時延響應，非常適合任何延遲關(guān)鍵型應用場景；

    ◆基于恒定比特率，實現(xiàn)可靠的IP視頻傳輸。

    雙流/雙壓縮編碼引擎方案，既兼顧了應用中對核心業(yè)務高畫質(zhì)低時延的應用需求，同時又可滿足高壓縮率的互聯(lián)網(wǎng)應用場景。相對于傳統(tǒng)的單流解決方案，雙流/雙壓縮編碼引擎方案可在現(xiàn)有網(wǎng)絡環(huán)境下可獲得最高的系統(tǒng)性能。

    威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡分布式系統(tǒng)的雙流/雙引擎壓縮技術(shù)方案對高頻細節(jié)的提供卓越的表現(xiàn)能力，見圖6(a)所示。H26X技術(shù)YUV420方案提供的畫面在高頻細節(jié)上出現(xiàn)了模糊，從圖6(b)中可見藍色紅色與黑色出現(xiàn)了粘連，文字畫面也出現(xiàn)了邊緣模糊。

（a）雙流/雙引擎技術(shù):YUV444        

    （b）H26X技術(shù):YUV420

    圖6 eCon系統(tǒng)雙流/雙引擎技術(shù) vs H26X技術(shù)