浅谈YUV444、YUV422、YUV420

浅谈YUV444、YUV422、YUV420

    威创网络分布式系统有效解决了图像质量与图像传输带宽这一对技术矛盾，兼顾了控制室大屏图像显示能好能快的需求。

    本期将会给大家介绍YUV相关基础知识，同时也介绍威创网络分布式系统的卓越色彩处理技术。

    1.什么是YUV色彩空间

    2.YUV采样格式

    3.YUV不同采样格式对图像画质的影响分析

    4.威创eCon网络分布式系统的双流/双引擎压缩技术

    一、什么是YUV色彩空间?

    YUV是视频、图片、相机等应用中常常使用的一类图像格式，是所有“YUV”像素格式共有的颜色空间的名称。与RGB格式（红-绿-蓝）不同，YUV格式用一个称为Y（相当于灰度）的“亮度”分量和两个“色度”分量表示，分别称为U（蓝色投影）和V（红色投影）。对于同一个观测像素点，在RGB空间和YUV空间可进行了不同角度的表示，两者满足单射线性变换，两者可以通过线性变换公式进行转换，如图1所示。

图1 RGB空间与YUV空间

    YUV也可以称为YCbCr，虽然这些术语定义略有不同，但它们往往会混淆并可互换使用。

    Y表示亮度分量：如果只显示Y的话，图像看起来会是一张黑白照。

    U（Cb）表示色度分量：B－Y，图像蓝色部分去掉亮度,反映了RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

    V（Cr）表示色度分量：R－Y，图像红色部分去掉亮度,反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

    二、YUV采样格式

    从前述定义中，可以了解YUV空间描述RGB空间的像素颜色按“亮度”分量和两个“色度”分量进行了表示。这种编码表示也更加适应于人眼，据研究表明，人眼对亮度信息比色彩信息更加敏感。而YUV下采样就是根据人眼的特点，将人眼相对不敏感的色彩信息进行压缩采样，得到相对小的文件进行播放和传输。

    1）YUV444

    色度信号分辨率最高的格式是YUV4:4:4，每4点Y采样，就有相对应的4点U和4点V。换句话说，每个Y值对应一个U和一个V值。在这种格式中，色度信号的分辨率和亮度信号的分辨率是相同的。这种格式主要应用在视频处理设备内部，避免画面质量在处理过程中降低。

图2 YUV444采样格式

    一种简单的YUV444区分方法：如图2所示，4个Y值，第1行获得4组UV色度值（如像素1、2、3、4均可独立表示），第2行也获得4组UV色度值（如像素5、6、7、8均可独立表示）。

    2）YUV422

    色度信号分辨率格式YUV4:2:2，每4点Y采样，就有相对应的2点U和2点V。可以看到在水平方向上的色度表示进行了2倍下采样，因此YUV422色度信号分辨率是亮度信号分辨率的一半。

    图3 YUV422采样格式

    一种简单的YUV422区分方法：如图3所示，4个Y值，第1行获得2组UV色度值（其中像素1、2合并为1组UV值表示，3、4合并为1组），第2行获得2组UV色度值（其中像素5、6合并为1组，7、8合并为1组）。

    3）YUV420

    色度信号分辨率格式YUV4:2:0，每4点Y采样，就有相对应的1点U和1点V。YUV420色度信号分辨率是亮度信号分辨率的1/4。

    图4 YUV420采样格式

    一种简单的YUV420区分方法：如图4所示，4个Y值，第1行获得2组UV色度值（其中1、2合并为1组，3、4合并为1组），第2行获得0组UV色度值（5-8像素的色度值全丢弃）。即在水平方向压缩的基础上，再在垂直方向上再进行了压缩。

    三、YUV不同采样格式对图像画质的影响分析

    根据前述的YUV采样格式分析，这里我们分析一下对图像画质的影响。我们将一个原始图像为8*8像素的红蓝相间的图案，分别按YUV444、YUV422、YUV420不同的采用格式采样，然后再还原输出。

    图5(a)：我们可以看到YUV444的色度信号的分辨率和亮度信号的分辨率无损失，我们获得了与原始图案一致的还原画面图案。

    图5(b)：YUV422获得还原图案在水平方向上，已经出现了丢失，从绿色所框选的像素来看，YUV422在水平方向上丢失了另一个像素点的色彩值，故在画面还原时仅是对前一个像素值简单的复制重构。

    图5(c)：YUV420获得还原图案在水平方向以及垂直方向上，均出现了丢失，获得的还原图像与原始图像出现很大的失真。

图5 YUV不同采样格式对图像画质

    由图5所示的直观观测，对图像高频细节的图像表达上，YUV444优于YUV422，YUV422优于YUV420。

    在信号传输带宽的节省上，YUV420效率优于YUV444，YUV422优于YUV444。因此在普通的视频编解码算法上，为节省传输带宽开销，普遍采用YUV420或者YUV422的采样格式。

    四、威创eCon网络分布式系统的双流/双引擎压缩技术

    图像质量与图像传输带宽是一对技术矛盾体：高图像质量往往需要高传输带宽，我们无法既获得无损高质量图像的同时又获得低传输带宽。

    针对前述技术矛盾，威创eCon网络分布式系统的坐席发送节点采用双流/双压缩编码引擎技术：针对坐席交互操作计算机画面采用最新一代浅压缩编码引擎，适合于高画质及低时延的超低时延要求；针对信号窗口预监、回显画面采用H26X压缩编码引擎，适合于高压缩率的互联网应用场景要求。威创所采用的双流/双压缩编码引擎技术产品使得在现有网络基础设施上适合于核心业务的高画质低时延需求，又满足了海量视频信号预监回显的需要。其主要特色优势如下：

    ◆整体性能低至毫秒级（低于17毫秒）的编码时延，最低可达行级视频线延时；

    ◆最大响应能力，可获得超低时延响应，非常适合任何延迟关键型应用场景；

    ◆基于恒定比特率，实现可靠的IP视频传输。

    双流/双压缩编码引擎方案，既兼顾了应用中对核心业务高画质低时延的应用需求，同时又可满足高压缩率的互联网应用场景。相对于传统的单流解决方案，双流/双压缩编码引擎方案可在现有网络环境下可获得最高的系统性能。

   

	浅压缩引擎	H26X引擎
时延	超低时延，行级延迟，最低编解码延迟可做到几行（整体时延性能低于17毫秒）	一般100ms左右
画质	高画质：YUV444,YUV422，适合计算机图像显示内容	YUV420图像格式，可以满足多路画面预监或者视频图像等场景需求
处理并行度	高并行度，适合并行计算	并行处理相对不高
压缩率	压缩率相对较低，码率大	压缩率比较高，码率低
应用场景	适用于超高清实时采集，高质量浅压缩场景，适用IP化低延迟传输。	适用于高压缩率的互联网应用场景，以满足海量视频信号预监回显的需要。

    威创eCon网络分布式系统的双流/双引擎压缩技术方案对高频细节的提供卓越的表现能力，见图6(a)所示。H26X技术YUV420方案提供的画面在高频细节上出现了模糊，从图6(b)中可见蓝色红色与黑色出现了粘连，文字画面也出现了边缘模糊。

（a）双流/双引擎技术:YUV444        

    （b）H26X技术:YUV420

    图6 eCon系统双流/双引擎技术 vs H26X技术