Color 深入學習YUV色彩模型 V1 1

2021-09-05 14:53:50 字數 3172 閱讀 8049

file:      studyyuv.txt

name:      深入學習yuv色彩模型

author:    zyl910

version:   v1.1

updata:    2006-5-28

最近突然又對圖形學有了興趣,翻出了多年前學習圖形學的筆記,感觸良多。於是將它們整理好發了上來。

一、基礎

rgb轉yuv的轉換是這樣的:

[y] = [ 0.299  0.587  0.114]   [r]

[u] = [-0.148 -0.289  0.437] * [g]

[v] = [ 0.615 -0.515 -0.100]   [b]

yuv轉rgb的轉換是這樣的:

[r] = [1  0      1.140]   [y]

[g] = [1 -0.395 -0.581] * [u]

[b] = [1  2.032  0    ]   [v]

二、那些變換係數是如何推導出來的?

最開始,我是想找乙個rgb與yuv轉換的快速演算法,於是開始研究它的係數。

2.1 yuv轉rgb

最先以yuv轉rgb為突破口。注意在轉換矩陣中有兩個0,所以可以去掉一次乘法:

b = y + 2.032*u

r = y + 1.140*v

利用「y = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b」這個事實來推導g:

g = (y - 0.299*r - 0.114*b) / 0.587

將b、r的計算公式代入並化簡:

g = [y - 0.299*(y + 1.140*v) - 0.114*(y + 2.032*u)] / 0.587

= [y - (0.299*y + 0.299*1.140*v) - (0.114*y + 0.114*2.032*u)] / 0.587

= [(y - 0.299*y - 0.114*y)- 0.299*1.140*v - 0.114*2.032*u] / 0.587

= [(1 - 0.299 - 0.114)*y - 0.299*1.140*v - 0.114*2.032*u] / 0.587

= (0.587*y - 0.299*1.140*v - 0.114*2.032*u) / 0.587

= y + (-0.299*1.140*v - 0.114*2.032*u) / 0.587

= y - (0.299*1.140 / 0.587)*v - (0.114*2.032 / 0.587)*u

= y - (0.114*2.032 / 0.587)*u - (0.299*1.140 / 0.587)*v

= y - 0.394630*u - 0.580681*v

正好與yuv轉rgb的係數符合。

完整的轉換公式:

b = y + 2.032*u

r = y + 1.140*v

g = y - (0.114*2.032 / 0.587)*u - (0.299*1.140 / 0.587)*v

2.2 rgb轉yuv

從分析yuv轉rgb時,我們發現了兩個關鍵係數——與u有關的2.032 和 與v有關的1.140。所以我們拿它們去乘rgb轉yuv轉換矩陣的係數試試:

u: 2.032 * [-0.148 -0.289  0.437] = [-0.300736 -0.587248  0.887984]

v: 1.140 * [ 0.615 -0.515 -0.100] = [ 0.701100 -0.587100 -0.114000]

觀察這些係數,發現有兩個特點:

1.那些負數係數與「彩色轉灰度」係數(0.299、0.587、0.114)很相似。

2.那個正數係數 正好等於 兩個負數係數之和的絕對值。

所以我們可以將u、v部分的轉換矩陣看成這個樣子:

u: (1 / 2.032) * [ -0.299 -0.587 1-0.114]

v: (1 / 1.140) * [1-0.299 -0.587  -0.114]

完整的轉換公式:

[y] = [   0.299          0.587           0.114       ]   [r]

[u] = [( -0.299)/2.032 (-0.587)/2.032 (1-0.114)/2.032] * [g]

[v] = [(1-0.299)/1.140 (-0.587)/1.140 ( -0.114)/1.140]   [b]

用矩陣計算「rgb轉yuv」很慢,我們可根據「yuv轉rgb」逆推:

y = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b

u = (1 / 2.032)*(b-y)

v = (1 / 1.140)*(r-y)

2.3 小結

所謂的yuv色彩模型是由0.299、0.587、0.114、2.032、1.140這五個數字定義出來的,非常簡潔、精巧。但是這還不是最精巧的,ycbcr完全是由0.299、0.587、0.114這三個數字定義出來的,詳見《深入學習ycbcr色彩模型》。

三、整數演算法

先將前面的成果列出來。

rgb轉yuv:

y = 0.299*r + 0.587*g + 0.114*b

u = (1 / 2.032)*(b-y)

v = (1 / 1.140)*(r-y)

yuv轉rgb:

b = y + 2.032*u

r = y + 1.140*v

g = y - (0.114*2.032 / 0.587)*u - (0.299*1.140 / 0.587)*v

可以看出,u、v、r、b 的計算就是用乘法縮放數值,完全可以陣列查表。

至於y的計算,請參考《彩色轉灰度演算法徹底學習》。

唯一麻煩一點的是g,因為它有兩個乘法,直接整數查表恐怕不精確。所以可以考慮將數值縮放65536倍(16位精度)。

大概是這樣:

y = (r*19595 + g*38469 + b*7472) >> 16

u = yuv_b2u[0x100 + b - y]

v = yuv_r2v[0x100 + r - y]

b = y + yuv_u2b[0x100 + u]

r = y + yuv_v2r[0x100 + v]

g = y - ((yuv_u2g[0x100 + u] + yuv_v2g[0x100 + v]) >> 16)

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