淺談YUV444、YUV422、YUV420

    威創網絡分布式系統有效解決了圖像質量與圖像傳輸帶寬這一對技術矛盾，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相關基礎知識，同時也介紹威創網絡分布式系統的卓越色彩處理技術。

    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的影響分析

    4.威創eCon網絡分布式系統的雙流/雙引擎壓縮技術

    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備內部，避免畫面質量在處理過程中降低。

圖2 YUV444采樣格式

    一種簡單的YUV444區分方法：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YUV4:2:2，每4點Y采樣，就有相對應的2點U和2點V。可以看到在水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YUV4:2:0，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的影響分析

    根據前述的YUV采樣格式分析，這里我們分析一下對圖像畫質的影響。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YUV444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，已經出現了丟失，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。

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

圖5 YUV不同采樣格式對圖像畫質

    由圖5所示的直觀觀測，對圖像高頻細節的圖像表達上，YUV444優于YUV422，YUV422優于YUV420。

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

    四、威創eCon網絡分布式系統的雙流/雙引擎壓縮技術

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

    針對前述技術矛盾，威創eCon網絡分布式系統的坐席發送節點采用雙流/雙壓縮編碼引擎技術：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，適合于高畫質及低時延的超低時延要求；針對信號窗口預監、回顯畫面采用H26X壓縮編碼引擎，適合于高壓縮率的互聯網應用場景要求。威創所采用的雙流/雙壓縮編碼引擎技術產品使得在現有網絡基礎設施上適合于核心業務的高畫質低時延需求，又滿足了海量視頻信號預監回顯的需要。其主要特色優勢如下：

    ◆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鍵型應用場景；

    ◆基于恒定比特率，實現可靠的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務高畫質低時延的應用需求，同時又可滿足高壓縮率的互聯網應用場景。相對于傳統的單流解決方案，雙流/雙壓縮編碼引擎方案可在現有網絡環境下可獲得最高的系統性能。

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

（a）雙流/雙引擎技術:YUV444        

    （b）H26X技術:YUV420

    圖6 eCon系統雙流/雙引擎技術 vs H26X技術