YUV 图
1. YUV 的由来
YUV 是一种色彩编码模型，也叫做 YCbCr，其中 “Y” 表示明亮度（Luminance），“U” 和 “V” 分别表示色度（Chrominance）和浓度（Chroma）。
YUV 色彩编码模型，其设计初衷为了解决彩色电视机与黑白电视的兼容问题，利用了人类眼睛的生理特性（对亮度敏感，对色度不敏感），允许降低色度的带宽，降低了传输带宽。
在计算机系统中应用尤为广泛，利用 YUV 色彩编码模型可以降低图片数据的内存占用，提高数据处理效率。
另外，YUV 编码模型的图像数据一般不能直接用于显示，还需要将其转换为 RGB（RGBA） 编码模型，才能够正常显示。
2. YUV 几种常见采样方式
YUV 图像主流的采样方式有三种：
-
YUV 4：4：4，每一个 Y 分量对于一对 UV 分量，每像素占用3 字节
（Y + U + V = 8 + 8 + 8 = 24bits）；
-
YUV 4：2：2，每两个 Y 分量共用一对 UV 分量，每像素占用 2 字节
（Y + 0.5U + 0.5V = 8 + 4 + 4 = 16bits）；
-
YUV 4：2：0，每四个 Y 分量共用一对 UV 分量，每像素占用1.5 字节
（Y + 0.25U + 0.25V = 8 + 2 + 2 = 12bits）；
其中最常用的采样方式是 YUV422 和 YUV420 。
YUV 格式也可按照 YUV 三个分量的组织方式分为打包（Packed）格式和平面格式（Planar）。
-
打包（Packed）格式：每个像素点的 YUV 分量是连续交叉存储的，如 YUYV 格式；
-
平面格式（Planar）：YUV 图像数据的三个分量分别存放在不同的矩阵中，这种格式适用于采样，如 YV12、YU12 格式。
3. YUV 几种常用的格式下面以一幅分辨率为 4×4 的 YUV 图为例，说明在不同 YUV 格式下的存储方式（括号内范围表示内存地址索引范围，默认以下不同格式图片存储使用的都是连续内存）。
YUYV （YUV422 采样方式）
YUYV 格式的存储格式
(0 ~ 7) Y00 U00 Y01 V00 Y02 U01 Y03 V01
(8 ~ 15) Y10 U10 Y11 V10 Y12 U11 Y13 V11
(16 ~ 23) Y20 U20 Y21 V20 Y22 U21 Y23 V21
(24 ~ 31) Y30 U30 Y31 V30 Y32 U31 Y33 V31
YV12/YU12 (YUV420 采样方式)
YV12/YU12 也属于 YUV420P ，即 YUV420 采样方式的平面模式，YUV 三个分量分别存储于 3 个不同的矩阵（平面）。
YV12 格式的存储方式
(0 ~ 3) Y00 Y01 Y02 Y03
(4 ~ 7) Y10 Y11 Y12 Y13
(8 ~ 11) Y20 Y21 Y22 Y23
(12 ~ 15) Y30 Y31 Y32 Y33
(16 ~ 17) V00 V01
(18 ~ 19) V10 V11
(20 ~ 21) U00 U01
(22 ~ 23) U10 U11
YU12（也称 I420） 格式的存储方式
(0 ~ 3) Y00 Y01 Y02 Y03
(4 ~ 7) Y10 Y11 Y12 Y13
(8 ~ 11) Y20 Y21 Y22 Y23
(12 ~ 15) Y30 Y31 Y32 Y33
(16 ~ 17) U00 U01
(18 ~ 19) U10 U11
(20 ~ 21) V00 V01
(22 ~ 23) V10 V11
NV21/NV12 (YUV420 采样方式)
NV21/NV12 属于 YUV420SP ，YUV420SP 格式有 2 个平面，Y 分量存储于一个平面，UV 分量交错存储于另一个平面。 NV21 格式的存储方式
(0 ~ 3) Y00 Y01 Y02 Y03
(4 ~ 7) Y10 Y11 Y12 Y13
(8 ~ 11) Y20 Y21 Y22 Y23
(12 ~ 15) Y30 Y31 Y32 Y33
(16 ~ 19) V00 U00 V01 U01
(20 ~ 23) V10 U10 V11 U11
NV12 格式的存储方式
(0 ~ 3) Y00 Y01 Y02 Y03
(4 ~ 7) Y10 Y11 Y12 Y13
(8 ~ 11) Y20 Y21 Y22 Y23
(12 ~ 15) Y30 Y31 Y32 Y33
(16 ~ 19) U00 V00 U01 V01
(20 ~ 23) U10 V10 U11 V11
NV21 与 NV12 格式的区别仅在于 UV 分量排列的先后顺序不同。
4. YUV 图像的基本操作
下面以最常用的 NV21 图为例介绍其旋转、缩放和剪切的基本方法。
YUV 图片的定义、加载、保存及内存释放。
//YUV420SP NV21 or NV12
typedef struct
{
int width; // 图片宽
int height; // 图片高
unsigned char *yPlane; // Y 平面指针
unsigned char *uvPlane; // UV 平面指针
} YUVImage;
void LoadYUVImage(const char *filePath, YUVImage *pImage)
{
FILE *fpData = fopen(filePath, "rb+");
if (fpData != NULL)
{
fseek(fpData, 0, SEEK_END);
int len = ftell(fpData);
pImage->yPlane = malloc(len);
fseek(fpData, 0, SEEK_SET);
fread(pImage->yPlane, 1, len, fpData);
fclose(fpData);
fpData = NULL;
}
pImage->uvPlane = pImage->yPlane + pImage->width * pImage->height;
}
void SaveYUVImage(const char *filePath, YUVImage *pImage)
{
FILE *fp = fopen(filePath, "wb+");
if (fp)
{
fwrite(pImage->yPlane, pImage->width * pImage->height, 1, fp);
fwrite(pImage->uvPlane, pImage->width * (pImage->height >> 1), 1, fp);
}
}
void ReleaseYUVImage(YUVImage *pImage)
{
if (pImage->yPlane)
{
free(pImage->yPlane);
pImage->yPlane = NULL;
pImage->uvPlane = NULL;
}
}
NV21 图片旋转
以顺时针旋转 90 度为例，Y 和 UV 两个平面分别从平面左下角进行纵向拷贝，需要注意的是每对 UV 分量作为一个整体进行拷贝。以此类比，顺时针旋转 180 度时从平面右下角进行横向拷贝，顺时针旋转 270 度时从平面右上角进行纵向拷贝。
Y 平面与 UV 平面旋转
Y00 Y01 Y02 Y03 Y30 Y20 Y10 Y00
Y10 Y11 Y12 Y13 旋转90度 Y31 Y21 Y11 Y01
Y20 Y21 Y22 Y23 -----> Y32 Y22 Y12 Y02
Y30 Y31 Y32 Y33 Y33 Y23 Y13 Y03
V00 U00 V01 U01 -----> V10 U10 V00 U00
V10 U10 V11 U11 V11 U11 V01 U01
代码实现：
//angle 90, 270, 180
void RotateYUVImage(YUVImage *pSrcImg, YUVImage *pDstImg, int angle)
{
int yIndex = 0;
int uvIndex = 0;
switch (angle)
{
case 90:
{
// y plane
for (int i = 0; i < pSrcImg->width; i++) {
for (int j = 0; j < pSrcImg->height; j++) {
*(pDstImg->yPlane + yIndex) = *(pSrcImg->yPlane + (pSrcImg->height - j - 1) * pSrcImg->width + i);
yIndex++;
}
}
//uv plane
for (int i = 0; i < pSrcImg->width; i += 2) {
for (int j = 0; j < pSrcImg->height / 2; j++) {
*(pDstImg->uvPlane + uvIndex) = *(pSrcImg->uvPlane + (pSrcImg->height / 2 - j - 1) * pSrcImg->width + i);
*(pDstImg->uvPlane + uvIndex + 1) = *(pSrcImg->uvPlane + (pSrcImg->height / 2 - j - 1) * pSrcImg->width + i + 1);
uvIndex += 2;
}
}
}
break;
case 180:
{
// y plane
for (int i = 0; i < pSrcImg->height; i++) {
for (int j = 0; j < pSrcImg->width; j++) {
*(pDstImg->yPlane + yIndex) = *(pSrcImg->yPlane + (pSrcImg->height - 1 - i) * pSrcImg->width + pSrcImg->width - 1 - j);
yIndex++;
}
}
//uv plane
for (int i = 0; i < pSrcImg->height / 2; i++) {
for (int j = 0; j < pSrcImg->width; j += 2) {
*(pDstImg->uvPlane + uvIndex) = *(pSrcImg->uvPlane + (pSrcImg->height / 2 - 1 - i) * pSrcImg->width + pSrcImg->width - 2 - j);
*(pDstImg->uvPlane + uvIndex + 1) = *(pSrcImg->uvPlane + (pSrcImg->height / 2 - 1 - i) * pSrcImg->width + pSrcImg->width - 1 - j);
uvIndex += 2;
}
}
}
break;
case 270:
{
// y plane
for (int i = 0; i < pSrcImg->width; i++) {
for (int j = 0; j < pSrcImg->height; j++) {
*(pDstImg->yPlane + yIndex) = *(pSrcImg->yPlane + j * pSrcImg->width + (pSrcImg->width - i - 1));
yIndex++;
}
}
//uv plane
for (int i = 0; i < pSrcImg->width; i += 2) {
for (int j = 0; j < pSrcImg->height / 2; j++) {
*(pDstImg->uvPlane + uvIndex + 1) = *(pSrcImg->uvPlane + j * pSrcImg->width + (pSrcImg->width - i - 1));
*(pDstImg->uvPlane + uvIndex) = *(pSrcImg->uvPlane + j * pSrcImg->width + (pSrcImg->width - i - 2));
uvIndex += 2;
}
}
}
break;
default:
break;
}
}
NV21 图片缩放
将 2×2 的 NV21 图缩放成 4×4 的 NV21 图，原图横向每个像素的 Y 分量向右拷贝 1（放大倍数-1）次，纵向每列元素以列为单位向下拷贝 1（放大倍数-1）次.
NV21 图片上采样
将 4×4 的 NV21 图缩放成 2×2 的 NV21 图，实际上就是进行下采样。
NV21 图片下采样
代码实现：
void ResizeYUVImage(YUVImage *pSrcImg, YUVImage *pDstImg)
{
if (pSrcImg->width > pDstImg->width)
{
//缩小
int x_scale = pSrcImg->width / pDstImg->width;
int y_scale = pSrcImg->height / pDstImg->height;
for (size_t i = 0; i < pDstImg->height; i++)
{
for (size_t j = 0; j < pDstImg->width; j++)
{
*(pDstImg->yPlane + i*pDstImg->width + j) = *(pSrcImg->yPlane + i * y_scale *pSrcImg->width + j * x_scale);
}
}
for (size_t i = 0; i < pDstImg->height / 2; i++)
{
for (size_t j = 0; j < pDstImg->width; j += 2)
{
*(pDstImg->uvPlane + i*pDstImg->width + j) = *(pSrcImg->uvPlane + i * y_scale *pSrcImg->width + j * x_scale);
*(pDstImg->uvPlane + i*pDstImg->width + j + 1) = *(pSrcImg->uvPlane + i * y_scale *pSrcImg->width + j * x_scale + 1);
}
}
}
else
{
// 放大
int x_scale = pDstImg->width / pSrcImg->width;
int y_scale = pDstImg->height / pSrcImg->height;
for (size_t i = 0; i < pSrcImg->height; i++)
{
for (size_t j = 0; j < pSrcImg->width; j++)
{
int yValue = *(pSrcImg->yPlane + i *pSrcImg->width + j);
for (size_t k = 0; k < x_scale; k++)
{
*(pDstImg->yPlane + i * y_scale * pDstImg->width + j * x_scale + k) = yValue;
}
}
unsigned char *pSrcRow = pDstImg->yPlane + i * y_scale * pDstImg->width;
unsigned char *pDstRow = NULL;
for (size_t l = 1; l < y_scale; l++)
{
pDstRow = (pDstImg->yPlane + (i * y_scale + l)* pDstImg->width);
memcpy(pDstRow, pSrcRow, pDstImg->width * sizeof(unsigned char ));
}
}
for (size_t i = 0; i < pSrcImg->height / 2; i++)
{
for (size_t j = 0; j < pSrcImg->width; j += 2)
{
int vValue = *(pSrcImg->uvPlane + i *pSrcImg->width + j);
int uValue = *(pSrcImg->uvPlane + i *pSrcImg->width + j + 1);
for (size_t k = 0; k < x_scale * 2; k += 2)
{
*(pDstImg->uvPlane + i * y_scale * pDstImg->width + j * x_scale + k) = vValue;
*(pDstImg->uvPlane + i * y_scale * pDstImg->width + j * x_scale + k + 1) = uValue;
}
}
unsigned char *pSrcRow = pDstImg->uvPlane + i * y_scale * pDstImg->width;
unsigned char *pDstRow = NULL;
for (size_t l = 1; l < y_scale; l++)
{
pDstRow = (pDstImg->uvPlane + (i * y_scale + l)* pDstImg->width);
memcpy(pDstRow, pSrcRow, pDstImg->width * sizeof(unsigned char ));
}
}
}
}
NV21 图片裁剪
图例中将 6×6 的 NV21 图按照横纵坐标偏移量为（2，2）裁剪成 4×4 的 NV21 图。
Y 平面剪切
UV 平面剪切
代码实现：
// x_offSet ，y_offSet % 2 == 0
void CropYUVImage(YUVImage *pSrcImg, int x_offSet, int y_offSet, YUVImage *pDstImg)
{
// 确保裁剪区域不存在内存越界
int cropWidth = pSrcImg->width - x_offSet;
cropWidth = cropWidth > pDstImg->width ? pDstImg->width : cropWidth;
int cropHeight = pSrcImg->height - y_offSet;
cropHeight = cropHeight > pDstImg->height ? pDstImg->height : cropHeight;
unsigned char *pSrcCursor = NULL;
unsigned char *pDstCursor = NULL;
//crop yPlane
for (size_t i = 0; i < cropHeight; i++)
{
pSrcCursor = pSrcImg->yPlane + (y_offSet + i) * pSrcImg->width + x_offSet;
pDstCursor = pDstImg->yPlane + i * pDstImg->width;
memcpy(pDstCursor, pSrcCursor, sizeof(unsigned char ) * cropWidth);
}
//crop uvPlane
for (size_t i = 0; i < cropHeight / 2; i++)
{
pSrcCursor = pSrcImg->uvPlane + (y_offSet / 2 + i) * pSrcImg->width + x_offSet;
pDstCursor = pDstImg->uvPlane + i * pDstImg->width;
memcpy(pDstCursor, pSrcCursor, sizeof(unsigned char ) * cropWidth);
}
}Sample 测试
原图
原图（NV21 图都已转为 png 便于显示）
测试代码：
void main()
{
YUVImage srcImg = { 0 };
srcImg.width = 840;
srcImg.height = 1074;
LoadYUVImage("IMG_840x1074.NV21", &srcImg);
YUVImage rotateDstImg = { 0 };
rotateDstImg.width = 1074;
rotateDstImg.height = 840;
rotateDstImg.yPlane = malloc(rotateDstImg.width * rotateDstImg.height*1.5);
rotateDstImg.uvPlane = rotateDstImg.yPlane + rotateDstImg.width * rotateDstImg.height;
RotateYUVImage(&srcImg, &rotateDstImg, 270);
SaveYUVImage("D:\material\IMG_1074x840_270.NV21", &rotateDstImg);
RotateYUVImage(&srcImg, &rotateDstImg, 90);
SaveYUVImage("D:\material\IMG_1074x840_90.NV21", &rotateDstImg);
rotateDstImg.width = 840;
rotateDstImg.height = 1074;
RotateYUVImage(&srcImg, &rotateDstImg, 180);
SaveYUVImage("D:\material\IMG_840x1074_180.NV21", &rotateDstImg);
YUVImage resizeDstImg = { 0 };
resizeDstImg.width = 420;
resizeDstImg.height = 536;
resizeDstImg.yPlane = malloc(resizeDstImg.width * resizeDstImg.height*1.5);
resizeDstImg.uvPlane = resizeDstImg.yPlane + resizeDstImg.width * resizeDstImg.height;
ResizeYUVImage(&srcImg, &resizeDstImg);
SaveYUVImage("D:\material\IMG_420x536_Resize.NV21", &resizeDstImg);
YUVImage cropDstImg = { 0 };
cropDstImg.width = 300;
cropDstImg.height = 300;
cropDstImg.yPlane = malloc(cropDstImg.width * cropDstImg.height*1.5);
cropDstImg.uvPlane = cropDstImg.yPlane + cropDstImg.width * cropDstImg.height;
CropYUVImage(&srcImg, 100, 500, &cropDstImg);
SaveYUVImage("D:\material\IMG_300x300_crop.NV21", &cropDstImg);
ReleaseYUVImage(&srcImg);
ReleaseYUVImage(&rotateDstImg);
ReleaseYUVImage(&resizeDstImg);
ReleaseYUVImage(&cropDstImg);
}
测试结果：
IMG_1074x840_270
IMG_1074x840_90
IMG_1074x840_180
IMG_420x536_Resize
IMG_300x300_crop
— END —
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