一、顏色編碼

① RGB 顏色編碼

• RGB 三個字母分別代表了 紅、綠、藍，這三種顏色作為三個基底顏色，將它們以不同的比例相加，可以產生多種多樣的顏色。
• RGB 圖像中，每個像素點都有紅、綠、藍三個基底顏色，其中每種原色都占用 8 bit，也就是一個字節（0-255），那么一個像素點也就占用 24 bit，也就是三個字節。

• 在圖像顯示中，一張 1280 * 720 大小的圖片，就代表著它有 1280 * 720 個像素點。其中每一個像素點的顏色顯示都采用 RGB 編碼方法，將 RGB 分別取不同的值，就會展示不同的顏色，就占用 1280 * 720 * 3 / 1024 / 1024 = 2.63 MB 存儲空間。

② YUV 顏色編碼

• YUV 是指亮度參量和色度參量分開表示的像素格式，而這樣分開的好處就是不但可以避免相互干擾，還可以降低色度的采樣率而不會對圖像質量影響太大。
• YUV 顏色編碼采用的是明亮度和色度來指定像素的顏色。
• Y表示明亮度（Luminance、Luma） U 和 V 表示色度（Chrominance、Chroma）而色度又定義了顏色的兩個方面：色調和飽和度。
• • Y 通道數值越高，圖片則越亮；
• • U 通道數值越高，顏色就越接近藍色；
• • V 通道數值越高，顏色就越接近紅色。
• YUV 顏色編碼格式在默認情況下是圖像和視頻壓縮的標準。
• 和 RGB 表示圖像類似，每個像素點都包含 Y、U、V 分量。但是它的 Y 和 UV 分量是可以分離的，如果沒有 UV 分量一樣可以顯示完整的圖像，只不過是黑白的，如下圖所示:

• 對于 YUV 圖像來說，并不是每個像素點都需要包含了 Y、U、V 三個分量，根據不同的采樣格式，可以每個 Y 分量都對應自己的 UV 分量，也可以幾個 Y 分量共用 UV 分量。

二、RGB 與 YUV 的相互轉換

• 對于圖像顯示器來說，它是通過 RGB 模型來顯示圖像的，而在傳輸圖像數據時又是使用 YUV 模型，這是因為 YUV 模型可以節省帶寬。因此就需要采集圖像時將 RGB 模型轉換到 YUV 模型，顯示時再將 YUV 模型轉換為 RGB 模型。
• RGB 到 YUV 的轉換，就是將圖像所有像素點的 R、G、B 分量轉換到 Y、U、V 分量。公式如下:
  Y = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
  U = -0.147 * R - 0.289 * G + 0.436 * B
  V = -0.615 * R - 0.515 * G - 0.100 * B
• YUV 到 RGB 的轉換如下:
  R = Y + 1.14 * V
  G = Y - 0.39 * U - 0.58 * V
  B = Y + 2.03 * U
• 此時的轉換結束后，每個像素點都有完整的 Y、U、V 分量。而之前提到 Y 和 UV 分量是可以分離的，接下來通過不同的采樣方式，可以將圖像的 Y、U、V 分量重新組合。
• 不同采樣格式都是在一張圖像所有像素的 RGB 轉換到 YUV 基礎上進行的。

三、采樣方式

• YUV 的優點之一是，色度頻道的采樣率可比 Y 頻道低，同時不會明顯降低視覺質量。有一種表示法可用來描述 U 和 V 與 Y 的采樣頻率比例，這個表示法稱為 A:B:C 表示法。

① YUV 4:4:4 采樣

• 表示色度頻道沒有下采樣, 每個 Y 分量對應自己的 UV 分量。
• 其中的 Y、U、V 三個分量的采樣比例是相同的，所以每個像素點的分量信息都是完整的，每個分量占用 8bit，一個像素點占用 1 個字節。與 RGB 顏色編碼相比，并沒有節省帶寬，占用的存儲空間也沒有減少。

• 假設原始圖像的像素為（一對[]表示一個像素點）：
  [Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
• 將原始圖像像素按照YUV4:4:4采樣的碼流為(相對原始像素是原樣輸出)：
  Y0, U0, V0, Y1, U1, V1, Y2, U2, V2, Y3, U3, V3
• 最后映射還原的像素點 = 原始圖像的像素，為：
  [Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
• 可以看到這種采樣方式的圖像和 RGB 顏色模型的圖像大小是一樣，并沒有達到節省帶寬的目的，當將 RGB 圖像轉換為 YUV 圖像時，也是先轉換為 YUV 4:4:4 采樣的圖像。

② YUV 4:2:2 采樣

• 表示 2:1 的水平下采樣，沒有垂直下采樣。
• 對于每兩個 U 樣例或 V 樣例，每個掃描行都包含四個 Y 樣例。
• 兩個 Y 分量共用一套 UV 分量，意味著 UV 分量是 Y 分量采樣的一半，Y 分量和 UV 分量按照 2 : 1 的比例采樣。如果水平方向有 4 個像素點，那么采樣了 4 個 Y 分量，而只采樣了 2 個 UV 分量。

• 每采樣一個像素點，都會采樣 Y 分量，而 U、V 分量則會間隔一個采集一個;
• 假設原始圖像的像素為（一對[]表示一個像素點）：
  [Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
• 將原始圖像像素按照 YUV4:2:2 采樣的碼流為：
  Y0, U0, Y1, V1, Y2, U2, Y3, V3
• 最后映射還原的像素點為：
  [Y0, U0, V1]; [Y1, U0, V1]; [Y2, U2, V3]; [Y3, U2, V3];
• 采樣的碼流映射為像素點，還是要滿足每個像素點有 Y、U、V 三個分量。但是可以看到，第一和第二像素點公用了 U0、V1 分量，第三和第四個像素點公用了 U2、V3 分量，這樣就節省了圖像空間。

③ YUV 4:2:0 采樣

• 表示 2:1 的水平下采樣，2:1 的垂直下采樣。 4個Y分量共用一套UV分量。
• YUV 4:2:0 采樣，并不是指只采樣 U 分量而不采樣 V 分量。而是指，在每一行掃描時，只掃描一種色度分量（U 或者 V），和 Y 分量按照 2 : 1 的方式采樣。
• 第一行掃描時，YU 按照 2 : 1 的方式采樣，那么第二行掃描時，YV 分量按照 2:1 的方式采樣。
• 對于每個色度分量來說，它的水平方向和豎直方向的采樣和 Y 分量相比都是 2:1 。
• 在田字格的 4 個像素點中，4 個 Y 分量共用了一套 UV 分量，如圖所示

• 假設原始圖像的像素為（一對[]表示一個像素點）：
  [Y0, U0, V0]; [Y1, U1, V1]; [Y2, U2, V2]; [Y3, U3, V3];
  [Y5, U5, V5]; [Y6, U6, V6]; [Y7, U7, V7]; [Y8, U8, V8];
• 將原始圖像像素按照YUV4:2:0采樣的碼流為：
  Y0, U0, Y1, Y2, U2, Y3,
  Y5, V5, Y6, Y7, V7, Y8,
• 最后映射還原的像素點為：
  [Y0, U0, V5]; [Y1, U0, V5]; [Y2, U2, V7]; [Y3, U2, V7];
  [Y5, U0, V5]; [Y6, U0, V5]; [Y7, U2, V7]; [Y8, U2, V7];
• 從映射出的像素點中可以看到，四個 Y 分量是共用了一套 UV 分量，而且是按照 2*2 的小方格的形式分布的，相比 YUV 4:2:2 采樣中兩個 Y 分量共用一套 UV 分量，這樣更能夠節省空間。

④ YUV 4:1:1 采樣

• 表示 4:1 的水平下采樣，沒有垂直下采樣。對于每個 U 樣例或 V 樣例，每個掃描行都包含四個 Y 樣例。
• 與其他格式相比，4:1:1 采樣不太常用，本文不對其進行詳細討論

四、YUV 存儲格式

① 平面格式與打包格式

YUV 格式可以分為打包格式和平面格式。在打包格式中，Y、U 和 V 組件存儲在一個數組中。像素被組織到了一些巨像素組中，巨像素組的布局取決于格式。在平面格式中，Y、U 和 V 組件作為三個單獨的平面進行存儲。

• planar 平面格式:
  指先連續存儲所有像素點的 Y 分量，然后存儲 U 分量，最后是 V 分量。
• packed 打包模式:
  指每個像素點的 Y、U、V 分量是連續交替存儲的。

② 基于 YUV 4:2:2 采樣的格式

常見的基于 YUV 4:2:2 采樣的格式如下：YUYV 格式、UYVY 格式、YUV 422P 格式。

• YUYV 格式
  YUYV 格式是采用打包格式進行存儲的，指每個像素點都采用 Y 分量，但是每隔一個像素采樣它的 UV 分量，排列順序如下：
  Y0 UO Y1 V0 Y2 U2 Y3 V2
  (Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量….)
• UYVY 格式
  UYVY 格式也是采用打包格式進行存儲，它的順序和 YUYV 相反，先采用 U 分量再采樣 Y 分量，排列順序如下：
  U0 Y0 V0 Y1 U2 Y2 V2 Y3
  (Y0 和 Y1 公用 U0 V0 分量，Y2 和 Y3 公用 U2 V2 分量….)
• YUV 422P 格式
  YUV 422P 格式，又叫做 I422，采用的是平面格式進行存儲，先存儲所有的 Y 分量，再存儲所有的 U 分量，再存儲所有的 V 分量。

③ 基于 YUV 4:2:0 采樣的格式

• 基于 YUV 4:2:0 采樣的格式主要有 YUV 420P 和 YUV 420SP 兩種類型，每個類型又對應其他具體格式。

YUV 420P 類型YUV 420SP 類型

YV12 格式	NV12 格式
YU12 格式	NV21 格式

• YUV 420P 和 YUV 420SP 都是基于 Planar 平面模式 進行存儲的，先存儲所有的 Y 分量后， YUV420P 類型就會先存儲所有的 U 分量或者 V 分量，而 YUV420SP 則是按照 UV 或者 VU 的交替順序進行存儲了，具體查看看下圖：

• YUV420P 的格式：

五、RGB 與YUV 轉換矩陣的幾何含義

• YUV 與 RGB 的轉換公式不止一種，主要原因是具體格式下，標準不同，這里采用蘋果 Demo 中給出的轉換矩陣，其它轉換公式中，具體數值可能不同：

let ycbcrToRGBTransform = float4x4(simd_float4(+1.0000, +1.0000, +1.0000, +0.0000),simd_float4(+0.0000, -0.3441, +1.7720, +0.0000),simd_float4(+1.4020, -0.7141, +0.0000, +0.0000),simd_float4(-0.7010, +0.5291, -0.8860, +1.0000));

• 將上面向量與矩陣乘法寫成行列式形式，可能更符合大家的直覺：

R = Y + 1.402*V - 0.701 G = Y - 0.3441*U - 0.7141*V + 0.5291 B = Y + 1.772*U - 0.886

• 可以發現，這個 YUV 轉 RGB 的公式其實是個線性變換，用幾何的方式表達就是說：
• • 將一個 RGB 的顏色用 xyz 坐標表示，那么將這個坐標（旋轉、縮放、平移）之后，新的 xyz 坐標就可以表示 YUV 顏色值；
• • 反之也是，將一個 YUV 顏色分量當做 xyz 坐標，那么將這個坐標逆向（旋轉、縮放、平移）之后，新的 xyz 坐標就可以表示 RGB 顏色值；
• 于是，可以在 3D 空間中畫一個邊長為 1 的正方體，后方左下角(0, 0, 0) 就代表黑色，前方右上角(1, 1, 1) 就代表白色，如下圖右下角立方體。同樣復制一個，并將其坐標用矩陣轉換到 YUV 空間，如下圖左上角傾斜的長方體。

• 對于 RGB 的立方體，比較簡單：它的 x 坐標越大，越往右方，顏色越紅；y 坐標越大，越往上方，顏色越綠；z 坐標越大，越往前方，顏色越藍。
• 而 YUV 的長方體，它的 x 坐標越大，越往右方，亮度越大；y 坐標越大，越往上方，顏色從黃到藍；z 坐標越大，越往前方，顏色從青綠到紅。

let box1 = scene.rootNode.childNode(withName: "box", recursively: true)! let box2 = scene.rootNode.childNode(withName: "box2", recursively: true)! simpleProgram(node: box1) simpleProgram(node: box2)// YUV 到 RGB let ycbcrToRGBTransform = float4x4(simd_float4(+1.0000, +1.0000, +1.0000, +0.0000),simd_float4(+0.0000, -0.3441, +1.7720, +0.0000),simd_float4(+1.4020, -0.7141, +0.0000, +0.0000),simd_float4(-0.7010, +0.5291, -0.8860, +1.0000) ); let p = ycbcrToRGBTransform.inverse//RGB 到 YUV box1.simdTransform = p// box2.simdTransform = box2.simdTransform * ycbcrToRGBTransform.inverse * box2.simdTransform.inverse // 用 shader 進行可視化顯示 func simpleProgram(node:SCNNode) {let program = SCNProgram()program.vertexFunctionName = "vertexShader"program.fragmentFunctionName = "fragmentShader"// 賦值給**SCNGeometry**或者**SCNMaterial**guard let material = node.geometry?.materials.first else { fatalError() }material.program = program } // 默認的頭文件 #include <metal_stdlib> using namespace metal; // 與 SceneKit 配合使用時，需要的頭文件 #include <SceneKit/scn_metal>struct VertexInput {float3 position [[attribute(SCNVertexSemanticPosition)]]; };struct ColorInOut {float4 position [[position]];float4 color; };struct MyNodeData {float4x4 modelViewProjectionTransform; };// 頂點著色器函數，輸出為 ColorInOut 類型，輸入為 VertexInput 類型的變量 in，和 MyNodeData 類型的變量指針 scn_node vertex ColorInOut vertexShader(VertexInput in [[stage_in]], constant MyNodeData& scn_node [[buffer(0)]]) {ColorInOut out;// 將模型空間的頂點補全為 float4 類型，進行 MVP 變換out.position = scn_node.modelViewProjectionTransform * float4(in.position, 1.0);// 加 0.5，將坐標從[-0.5～0.5]，轉換到[0～1] 以代表顏色out.color = float4(in.position + 0.5, 1);return out; }// 片元著色器函數，輸出為 half4，輸入為 ColorInOut 類型的變量 in fragment half4 fragmentShader(ColorInOut in [[stage_in]]) {return half4(in.color); }

六、總結

• YUV4:4:4 中 Y、U、V 分量的采樣比例相同，既可以理解為原始圖像像素點原樣輸出，存儲空間沒有任何變化。
• YUV4:2:2 采樣格式，是指每采樣一個像素點，都會采樣 Y 分量，而 U、V 分量則會間隔一個采集一個，本質是通過左右相鄰像素點共用 U/V 分量。相比 RGB 顏色編碼格式，節省了 1/3 的存儲空間，同時節約了在傳輸時的帶寬。
• YUV4:2:0 采樣格式，是實際開發中最常用的顏色編碼格式，相比 YUV4:2:2 采樣格式，更能節省空間。是指在 2*2 的田字格中有 4 個像素點，其中 4 個 Y 分量共用一套 UV 分量，其本質是通過田字格的上下左右像素點共用 U/V 分量。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Metal之探究理解视频渲染RGB与YUV颜色编码的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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