图像处理基础（像素、RGB、YUV etc.）的那点小事

为了方便记录，以下名词等价： 

1、色彩空间==颜色空间==色域==表示颜色的模型或方法

2、采样方式==（图像）信息元素的记录方式==数据结构中信息的记录方式

一、像素到底是什么？ 像素是用来描述图像信息元素的数据结构

  如果把一张图片看成是一堆信息元素的集合，那么为了描述一张图片，我们要先建模，用一个数据结构来表示信息元素。从而，建模后图像就成了一堆数据结构（结构体）的集合，现在给这种数据结构起个名字就叫像素；所以像素不是一个具体的物理量，它仅仅是一个抽象的数据结构。

二、在像素这种数据结构中可以记录颜色信息（因为图像就是由不同颜色组成的），如果用RGB颜色空间来表示颜色，那么一个像素又要分成 红、绿、蓝 3个子像素（或者叫3个分量）。如果用YUV这种颜色空间来表示颜色，又可以分成 Y（亮度--luminance）、UV（色度也叫色差，色度又被分成两个独立信号存储，U （Cb--蓝色，其值==Cb-Y）、 V（Cr --红色，其值==Cr --Y））。

1、在这里有必要解释下YUV了，如果说RGB是通过3原色的组合来表示颜色那么YUV是如何表示颜色的呢？答案是---通过亮度和色差来表示（亮度是黑--白信号，色度是色彩信号）

  科学发现，人们对亮度的敏感程度要强于对色度的敏感程度。所以基于这个原理，我们在存储像素的时候，就多存储亮度，少存储色度从而减少存储空间。

  YUV 有3中采样方式 YUV444，YUV422，YUV420

  如果用手画这3中采样方式，可以是Y用方括号表示，UV看成一个整体，画成在Y里面的一个圈。所以eg444，就画4个方框（Y）再在每个方框里面画一个圈

  (1) YUV444 记录4个亮度就要分别再记录4个U和4个V

  


图中，背景（黑白相间的那个）表示亮度，画画绿绿的那个表示色度
  这种存储方式，主要是为了保证画面的质量（防止在处理过程中画质降低）。
  
  现采集四个像素,他们的数据结构分别是: [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
 存放的码流为: Y0 U0 V0 Y1 U1 V1 Y2 U2 V2 Y3 U3 V3

  （2）YUV422 ，两个亮度共享一个色度
  


  大多数人分辨不出444和422的区别。
  同样，采集4个像素，他们数据结构中的3个分量分别是：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

  根据相邻2个像素共享一个UV色度对的原则，存放的码流是：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3

  对码流再映射（重新构造像素），得到的像素是：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]

  （3）YUV411 , 原谅找不到他的图片，但其实很简单，411 和 420 可以联想记忆，

   420 是2*2 个像素公用一个UV ，而411 是 水平方向上连续4个像素公用一个UV

  对于4个像素 [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]

  411 采用“夹三明治法”，两个亮度Y之间夹一个色度（U或V），U，V交替采集、先U后V，4个Y共用一个UV

  所以存放码流是： Y0 U0 Y1 Y2 V2 Y3

   再映射后：[Y0 U0 V2] [Y1 U0 V2] [Y2 U0 V2] [Y3 U0 V2]

  （4）YUV420
  注意，虽然Y、U、V的比是420，表面上看好像应该是4个Y，2个U和0个V，既V一个都不取，但事实上完全不是这个样子。

  它实际指得是对每行扫描线来说，只取一种色度分量（先U后V），且色度分量和亮度的比例是2：1，既遂平方向上2个Y共用一个U或V。相邻的扫描行存储不同的色度分量，也就是说，如果一行是4:2:0的话，下一行就是4:0:2，再下一行是4:2:0...以此类推

  


  扫描线：
  


  采集8个像素,
  [Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
  [Y4 U4 V4] [Y5 U5 V5] [Y6 U6 V6] [Y7 U7 V7]
 存放码流： 
  Y0 U0 Y1 Y2 U2 Y3
  Y4 V4  Y5 Y6 V 6 Y7
 再映射：

[Y0 U0 V4] [Y1 U0 V4] [Y2 U2 V6] [Y3 U2 V6]
[Y5 U0 V4] [Y6 U0 V4] [Y7U2 V6] [Y8 U2 V6]

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  好了，YUV的格式就差不多讲到这里，另外还有一点，将YUV数据显示出来（由软件或硬件处理）是需要将数据进一步处理的--既格式包装
  YUV的格式包装有两种方式：a、packed format  打包格式  b、planar format 平面格式
  a、packed format ，表示将Y和UV封装在一起打成一个包，具体实现就是存放在一个数组中。YUY2就是打包格式，它的YUV比是422
  b、planar format ，表示将Y、U、V 分别封装打包，形成3个plane（平面），具体实现就是分别存在3个数组中。YV12是平面格式，它的YUV比是420
  2、比较不同色彩空间（只有通过比较才会知道为什么要有这么多的色彩表示方式）
  （1）RGB，RGB色彩空间是面向硬件的，一般设备采集到的像素中的颜色信息就是通过分成R、G、B来保存的。RGB 图像占的存储空间大，所以它适合显示系统，不适合图像处理。
    另外，RGB颜色由于是对真实食物的直接采样，所以图像会受到光照、阴影等因素影响，同时RGB空间，色度（红绿蓝）要受亮度的影响，如果亮度改变，色度都会改变；
   还有，RGP图像的传输需要同时3个信道分别来传输R\G\B3个信号，这样才能在另一端呈像

  （2）YUV，在这种格式中，Y\U\V是分别编码和存储的，所以可以使用分时的方法在一个信道上传输，这也是YUV最重要的特性。；、

三、