自然界的顏色千變?nèi)f化，為了給顏色一個(gè)量化的衡量標(biāo)準(zhǔn)，就需要建立色彩空間模型來(lái)描述各種各樣的顏色，由于人對(duì)色彩的感知是一個(gè)復(fù)雜的生理和心理聯(lián)合作用的過(guò)程，所以在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中為了更好更準(zhǔn)確的滿足各自的需求，就出現(xiàn)了各種各樣的色彩空間模型來(lái)量化的描述顏色。我們比較常接觸到的就包括 RGB / CMYK / YIQ / YUV / HSI等等。

        對(duì)于數(shù)字電子多媒體領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，我們經(jīng)常接觸到的色彩空間的概念，主要是RGB , YUV這兩種（實(shí)際上，這兩種體系包含了許多種具體的顏色表達(dá)方式和模型，如sRGB, Adobe RGB, YUV422, YUV420 …）, RGB是按三基色加光系統(tǒng)的原理來(lái)描述顏色，而YUV則是按照 亮度，色差的原理來(lái)描述顏色。

        即使只是RGB YUV這兩大類色彩空間，所涉及到的知識(shí)也是十分豐富復(fù)雜的，自知不具備足夠的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，所以本文主要針對(duì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用及算法進(jìn)行討論。

2 YUV相關(guān)色彩空間模型
2.1 YUV 與 YIQ YcrCb
        對(duì)于YUV模型，實(shí)際上很多時(shí)候，我們是把它和YIQ / YCrCb模型混為一談的。

        實(shí)際上,YUV模型用于PAL制式的電視系統(tǒng)，Y表示亮度，UV并非任何單詞的縮寫(xiě)。

        YIQ模型與YUV模型類似，用于NTSC制式的電視系統(tǒng)。YIQ顏色空間中的I和Q分量相當(dāng)于將YUV空間中的UV分量做了一個(gè)33度的旋轉(zhuǎn)。

        YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間派生的一種顏色空間，主要用于數(shù)字電視系統(tǒng)中。從RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換中，輸入、輸出都是8位二進(jìn)制格式。

        三者與RGB的轉(zhuǎn)換方程如下：

        RGB -> YUV：

       實(shí)際上也就是：

Y=0.30R+0.59G+0.11B ， U=0.493(B－Y) ， V=0.877(R－Y)

        RGB -> YIQ：

       RGB -> YCrCb：

        從公式中，我們關(guān)鍵要理解的一點(diǎn)是，UV / CbCr信號(hào)實(shí)際上就是藍(lán)色差信號(hào)和紅色差信號(hào)，進(jìn)而言之，實(shí)際上一定程度上間接的代表了藍(lán)色和紅色的強(qiáng)度，理解這一點(diǎn)對(duì)于我們理解各種顏色變換處理的過(guò)程會(huì)有很大的幫助。

        我們?cè)跀?shù)字電子多媒體領(lǐng)域所談到的YUV格式，實(shí)際上準(zhǔn)確的說(shuō)，是以YcrCb色彩空間模型為基礎(chǔ)的具有多種存儲(chǔ)格式的一類顏色模型的家族（包括YUV444 / YUV422 / YUV420 / YUV420P等等）。并不是傳統(tǒng)意義上用于PAL制模擬電視的YUV模型。這些YUV模型的區(qū)別主要在于UV數(shù)據(jù)的采樣方式和存儲(chǔ)方式，這里就不詳述。

        而在Camera Sensor中，最常用的YUV模型是 YUV422格式，因?yàn)樗�采�?個(gè)字節(jié)描述兩個(gè)像素，能和RGB565模型比較好的兼容。有利于Camera Sensor和Camera controller的軟硬件接口設(shè)計(jì)。

3 YUV2RGB快速算法分析
        這里指的YUV實(shí)際是YcrCb了，YUV2RGB的轉(zhuǎn)換公式本身是很簡(jiǎn)單的，但是牽涉到浮點(diǎn)運(yùn)算，所以，如果要實(shí)現(xiàn)快速算法，算法結(jié)構(gòu)本身沒(méi)什么好研究的了，主要是采用整型運(yùn)算或者查表來(lái)加快計(jì)算速度。
首先可以推導(dǎo)得到轉(zhuǎn)換公式為：

        R = Y + 1.4075 *（V-128）
        G = Y – 0.3455 *（U –128） – 0.7169 *（V –128）
        B = Y + 1.779 *（U – 128）

3.1 整型算法
       要用整型運(yùn)算代替浮點(diǎn)運(yùn)算，當(dāng)然是要用移位的辦法了，我們可以很容易得到下列算法：

        u = YUVdata[UPOS] – 128;
        v = YUVdata[VPOS] – 128;

        rdif = v + ((v * 103) >> 8);
        invgdif = ((u * 88) >> 8) +((v * 183) >> 8);
        bdif = u +( (u*198) >> 8);

       r = YUVdata[YPOS] + rdif;
       g = YUVdata[YPOS] – invgdif;
       b = YUVdata[YPOS] + bdif;

為了防止出現(xiàn)溢出，還需要判錯(cuò)計(jì)算的結(jié)果是否在0-255范圍內(nèi)，做類似下面的判斷。

         if (r>255)
             r=255;
         if (r<0)
             r=0;

        要從RGB24轉(zhuǎn)換成RGB565數(shù)據(jù)還要做移位和或運(yùn)算：

       RGBdata[1] =( (r & 0xF8) | ( g >> 5) );
       RGBdata[0] =( ((g & 0x1C) << 3) | ( b >> 3) );

3.2 部分查表法
        查表法首先可以想到的就是用查表替代上述整型算法中的乘法運(yùn)算。

        rdif = fac_1_4075[u];
        invgdif = fac_m_0_3455[u] + fac_m_0_7169[v];
        bdif = fac_1_779[u];

        這里一共需要4個(gè)1維數(shù)組，下標(biāo)從0開(kāi)始到255，表格共占用約1K的內(nèi)存空間。uv可以不需要做減128的操作了。在事先計(jì)算對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素的值的時(shí)候計(jì)算在內(nèi)就好了。

        對(duì)于每個(gè)像素，部分查表法用查表替代了2次減法運(yùn)算和4次乘法運(yùn)算，4次移位運(yùn)算。但是，依然需要多次加法運(yùn)算和6次比較運(yùn)算和可能存在的賦值操作，相對(duì)第一種方法運(yùn)算速度提高并不明顯。

3.3 完全查表法
        那么是否可以由YUV直接查表得到對(duì)應(yīng)的RGB值呢？乍一看似乎不太可能，以最復(fù)雜的G的運(yùn)算為例，因?yàn)镚與YUV三者都相關(guān)，所以類似 G=YUV2G[Y][U][V]這樣的算法，一個(gè)三維下標(biāo)尺寸都為256的數(shù)組就需要占用2的24次方約16兆空間，絕對(duì)是沒(méi)法接受的。所以目前多數(shù)都是采用部分查表法。

        但是，如果我們仔細(xì)分析就可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于G我們實(shí)際上完全沒(méi)有必要采用三維數(shù)組，因?yàn)閅只與UV運(yùn)算的結(jié)果相關(guān)，與UV的個(gè)體無(wú)關(guān)，所以我們可以采用二次查表的方法將G的運(yùn)算簡(jiǎn)化為對(duì)兩個(gè)二維數(shù)組的查表操作，如下：

        G = yig2g_table[ y ][ uv2ig_table[ u ][ v ] ]；

        而RB本身就只和YU或YV相關(guān)，所以這樣我們一共需要4個(gè)8*8的二維表格，需要占用4乘2的16次方共256K內(nèi)存�；�本可以接受。但是對(duì)于手機(jī)這樣的嵌入式運(yùn)用來(lái)說(shuō)，還是略有些大了。

        進(jìn)一步分析，我們可以看到，因?yàn)樵谑謾C(jī)等嵌入式運(yùn)用上我們最終是要把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB565格式送到LCD屏上顯示的，所以，對(duì)于RGB三分量來(lái)說(shuō)，我們根本不需要8bit這么高的精度，為了簡(jiǎn)單和運(yùn)算的統(tǒng)一起見(jiàn)，對(duì)每個(gè)分量我們其實(shí)只需要高6bit的數(shù)據(jù)就足夠了，所以我們可以進(jìn)一步把表格改為4個(gè)6*6的二維表格，這樣一共只需要占用16K內(nèi)存！在計(jì)算表格元素值的時(shí)候還可以把最終的溢出判斷也事先做完。最后的算法如下：

        y = (YUVdata[Y1POS] >> 2);
        u = (YUVdata[UPOS] >> 2);
        v = (YUVdata[VPOS] >> 2);

        r = yv2r_table[ y ][ v ];
        g = yig2g_table[ y ][ uv2ig_table[ u ][ v ] ];
        b = yu2b_table[ y ][ u ];

       RGBdata[1] =( (r & 0xF8) | ( g >> 5) );
       RGBdata[0] =( ((g & 0x1C) << 3) | ( b >> 3) );

        這樣相對(duì)部分查表法，我們?cè)黾恿?次移位運(yùn)算，而進(jìn)一步減少了4次加法運(yùn)算和6次比較賦值操作。

        在計(jì)算表格元素?cái)?shù)值的時(shí)候，要考慮舍入和偏移等因數(shù)使得計(jì)算的中間結(jié)果滿足數(shù)組下標(biāo)非負(fù)的要求，需要一定的技巧。

        采用完全查表法，相對(duì)于第一種算法，最終運(yùn)算速度可以有比較明顯的提高，具體性能能提高多少，要看所在平臺(tái)的CPU運(yùn)算速度和內(nèi)存存取速度的相對(duì)比例。內(nèi)存存取速度越快，用查表法帶來(lái)的性能改善越明顯。在我的PC上測(cè)試的結(jié)果性能大約能提高35%。而在某ARM平臺(tái)上測(cè)試只提高了約15%。

3.4 進(jìn)一步的思考
        實(shí)際上，上述算法：

        RGBdata[1] =( (r & 0xF8) | ( g >> 5) );
        RGBdata[0] =( ((g & 0x1C) << 3) | ( b >> 3) );

        中的 (r & 0xF8) 和 ( b >> 3) 等運(yùn)算也完全可以在表格中事先計(jì)算出來(lái)。另外，YU / YV的取值實(shí)際上不可能覆蓋滿6*6的范圍，中間有些點(diǎn)是永遠(yuǎn)取不到的無(wú)輸入，RB的運(yùn)算也可以考慮用5*5的表格。這些都可能進(jìn)一步提高運(yùn)算的速度，減小表格的尺寸。

        另外，在嵌入式運(yùn)用中，如果可能盡量將表格放在高速內(nèi)存如SRAM中應(yīng)該比放在SDRAM中更加能發(fā)揮查表法的優(yōu)勢(shì)。

4 RGB2YUV ?
        目前覺(jué)得這個(gè)是沒(méi)法將3維表格的查表運(yùn)算化簡(jiǎn)為2維表格的查表運(yùn)算了。只能用部分查表法替代其中的乘法運(yùn)算。

        另外，多數(shù)情況下，我們需要的還是YUV2RGB的轉(zhuǎn)換，因?yàn)閺腟ensor得到的數(shù)據(jù)通常我們會(huì)用YUV數(shù)據(jù)，此外JPG和MPEG實(shí)際上也是基于YUV格式編碼的，所以要顯示解碼后的數(shù)據(jù)需要的也是YUV2RGB的運(yùn)算。
以下是從DirectShow中摘抄的相關(guān)文章
計(jì)算機(jī)彩色顯示器顯示色彩的原理與彩色電視機(jī)一樣，都是采用R（Red）、G（Green）、B（Blue）相加混色的原理：通過(guò)發(fā)射出三種不同強(qiáng)度的電子束，使屏幕內(nèi)側(cè)覆蓋的紅、綠、藍(lán)磷光材料發(fā)光而產(chǎn)生色彩。這種色彩的表示方法稱為RGB色彩空間表示（它也是多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)中用得最多的一種色彩空間表示方法）。
根據(jù)三基色原理，任意一種色光F都可以用不同分量的R、G、B三色相加混合而成。

F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]

其中，r、g、b分別為三基色參與混合的系數(shù)。當(dāng)三基色分量都為0（最弱）時(shí)混合為黑色光；而當(dāng)三基色分量都為k（最強(qiáng)）時(shí)混合為白色光。調(diào)整r、g、b三個(gè)系數(shù)的值，可以混合出介于黑色光和白色光之間的各種各樣的色光。
那么YUV又從何而來(lái)呢？在現(xiàn)代彩色電視系統(tǒng)中，通常采用三管彩色攝像機(jī)或彩色CCD攝像機(jī)進(jìn)行攝像，然后把攝得的彩色圖像信號(hào)經(jīng)分色、分別放大校正后得到RGB，再經(jīng)過(guò)矩陣變換電路得到亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)R－Y（即U）、B－Y（即V），最后發(fā)送端將亮度和色差三個(gè)信號(hào)分別進(jìn)行編碼，用同一信道發(fā)送出去。這種色彩的表示方法就是所謂的YUV色彩空間表示。
采用YUV色彩空間的重要性是它的亮度信號(hào)Y和色度信號(hào)U、V是分離的。如果只有Y信號(hào)分量而沒(méi)有U、V分量，那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。彩色電視采用YUV空間正是為了用亮度信號(hào)Y解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問(wèn)題，使黑白電視機(jī)也能接收彩色電視信號(hào)。
YUV與RGB相互轉(zhuǎn)換的公式如下（RGB取值范圍均為0-255）：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.147R – 0.289G + 0.436B
V = 0.615R – 0.515G – 0.100B

R = Y + 1.14V
G = Y – 0.39U – 0.58V
B = Y + 2.03U

在DirectShow中，常見(jiàn)的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常見(jiàn)的YUV格式有YUY2、YUYV、YVYU、UYVY、AYUV、Y41P、Y411、Y211、IF09、IYUV、YV12、YVU9、YUV411、YUV420等。作為視頻媒體類型的輔助說(shuō)明類型（Subtype），它們對(duì)應(yīng)的GUID見(jiàn)表2.3。

表2.3 常見(jiàn)的RGB和YUV格式

GUID    格式描述
MEDIASUBTYPE_RGB1    2色，每個(gè)像素用1位表示，需要調(diào)色板
MEDIASUBTYPE_RGB4    16色，每個(gè)像素用4位表示，需要調(diào)色板
MEDIASUBTYPE_RGB8    256色，每個(gè)像素用8位表示，需要調(diào)色板
MEDIASUBTYPE_RGB565    每個(gè)像素用16位表示，RGB分量分別使用5位、6位、5位
MEDIASUBTYPE_RGB555    每個(gè)像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下的1位不用）
MEDIASUBTYPE_RGB24    每個(gè)像素用24位表示，RGB分量各使用8位
MEDIASUBTYPE_RGB32    每個(gè)像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位不用）
MEDIASUBTYPE_ARGB32    每個(gè)像素用32位表示，RGB分量各使用8位（剩下的8位用于表示Alpha通道值）
MEDIASUBTYPE_YUY2    YUY2格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_YUYV    YUYV格式（實(shí)際格式與YUY2相同）
MEDIASUBTYPE_YVYU    YVYU格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_UYVY    UYVY格式，以4:2:2方式打包
MEDIASUBTYPE_AYUV    帶Alpha通道的4:4:4 YUV格式
MEDIASUBTYPE_Y41P    Y41P格式，以4:1:1方式打包
MEDIASUBTYPE_Y411    Y411格式（實(shí)際格式與Y41P相同）
MEDIASUBTYPE_Y211    Y211格式
MEDIASUBTYPE_IF09    IF09格式
MEDIASUBTYPE_IYUV    IYUV格式
MEDIASUBTYPE_YV12    YV12格式
MEDIASUBTYPE_YVU9    YVU9格式

下面分別介紹各種RGB格式。

¨ RGB1、RGB4、RGB8都是調(diào)色板類型的RGB格式，在描述這些媒體類型的格式細(xì)節(jié)時(shí)，通常會(huì)在BITMAPINFOHEADER數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后面跟著一個(gè)調(diào)色板（定義一系列顏色）。它們的圖像數(shù)據(jù)并不是真正的顏色值，而是當(dāng)前像素顏色值在調(diào)色板中的索引。以RGB1（2色位圖）為例，比如它的調(diào)色板中定義的兩種顏色值依次為0x000000（黑色）和0xFFFFFF（白色），那么圖像數(shù)據(jù)001101010111…（每個(gè)像素用1位表示）表示對(duì)應(yīng)各像素的顏色為：黑黑白白黑白黑白黑白白白…。

¨ RGB565使用16位表示一個(gè)像素，這16位中的5位用于R，6位用于G，5位用于B。程序中通常使用一個(gè)字（WORD，一個(gè)字等于兩個(gè)字節(jié)）來(lái)操作一個(gè)像素。當(dāng)讀出一個(gè)像素后，這個(gè)字的各個(gè)位意義如下：
     高字節(jié)              低字節(jié)
R R R R R G G G     G G G B B B B B
可以組合使用屏蔽字和移位操作來(lái)得到RGB各分量的值：

#define RGB565_MASK_RED    0xF800
#define RGB565_MASK_GREEN 0x07E0
#define RGB565_MASK_BLUE   0x001F
R = (wPixel & RGB565_MASK_RED) >> 11;   // 取值范圍0-31
G = (wPixel & RGB565_MASK_GREEN) >> 5; // 取值范圍0-63
B = wPixel & RGB565_MASK_BLUE;         // 取值范圍0-31

¨ RGB555是另一種16位的RGB格式，RGB分量都用5位表示（剩下的1位不用）。使用一個(gè)字讀出一個(gè)像素后，這個(gè)字的各個(gè)位意義如下：
     高字節(jié)             低字節(jié)
X R R R R G G       G G G B B B B B       （X表示不用，可以忽略）
可以組合使用屏蔽字和移位操作來(lái)得到RGB各分量的值：

#define RGB555_MASK_RED    0x7C00
#define RGB555_MASK_GREEN 0x03E0
#define RGB555_MASK_BLUE   0x001F
R = (wPixel & RGB555_MASK_RED) >> 10;   // 取值范圍0-31
G = (wPixel & RGB555_MASK_GREEN) >> 5; // 取值范圍0-31
B = wPixel & RGB555_MASK_BLUE;         // 取值范圍0-31

¨ RGB24使用24位來(lái)表示一個(gè)像素，RGB分量都用8位表示，取值范圍為0-255。注意在內(nèi)存中RGB各分量的排列順序?yàn)椋築GR BGR BGR…。通�？梢允褂肦GBTRIPLE數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)操作一個(gè)像素，它的定義為：

typedef struct tagRGBTRIPLE {
BYTE rgbtBlue;    // 藍(lán)色分量
BYTE rgbtGreen;   // 綠色分量
BYTE rgbtRed;     // 紅色分量
} RGBTRIPLE;

¨ RGB32使用32位來(lái)表示一個(gè)像素，RGB分量各用去8位，剩下的8位用作Alpha通道或者不用。（ARGB32就是帶Alpha通道的RGB32。）注意在內(nèi)存中RGB各分量的排列順序?yàn)椋築GRA BGRA BGRA…。通�？梢允褂肦GBQUAD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)操作一個(gè)像素，它的定義為：

typedef struct tagRGBQUAD {
BYTE    rgbBlue;      // 藍(lán)色分量
BYTE    rgbGreen;     // 綠色分量
BYTE    rgbRed;       // 紅色分量
BYTE    rgbReserved; // 保留字節(jié)（用作Alpha通道或忽略）
} RGBQUAD;

下面介紹各種YUV格式。YUV格式通常有兩大類：打包（packed）格式和平面（planar）格式。前者將YUV分量存放在同一個(gè)數(shù)組中，通常是幾個(gè)相鄰的像素組成一個(gè)宏像素（macro-pixel）；而后者使用三個(gè)數(shù)組分開(kāi)存放YUV三個(gè)分量，就像是一個(gè)三維平面一樣。表2.3中的YUY2到Y(jié)211都是打包格式，而IF09到Y(jié)VU9都是平面格式。（注意：在介紹各種具體格式時(shí)，YUV各分量都會(huì)帶有下標(biāo)，如Y0、U0、V0表示第一個(gè)像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二個(gè)像素的YUV分量，以此類推。）

   YUY2（和YUYV）格式為每個(gè)像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每?jī)蓚�(gè)像素采樣一次。一個(gè)宏像素為4個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示2個(gè)像素。（4:2:2的意思為一個(gè)宏像素中有4個(gè)Y分量、2個(gè)U分量和2個(gè)V分量。）圖像數(shù)據(jù)中YUV分量排列順序如下：
Y0 U0 Y1 V0    Y2 U2 Y3 V2 …

YVYU格式跟YUY2類似，只是圖像數(shù)據(jù)中YUV分量的排列順序有所不同：
Y0 V0 Y1 U0    Y2 V2 Y3 U2 …

UYVY格式跟YUY2類似，只是圖像數(shù)據(jù)中YUV分量的排列順序有所不同：
U0 Y0 V0 Y1    U2 Y2 V2 Y3 …

AYUV格式帶有一個(gè)Alpha通道，并且為每個(gè)像素都提取YUV分量，圖像數(shù)據(jù)格式如下：
A0 Y0 U0 V0    A1 Y1 U1 V1 …

Y41P（和Y411）格式為每個(gè)像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個(gè)像素采樣一次。一個(gè)宏像素為12個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示8個(gè)像素。圖像數(shù)據(jù)中YUV分量排列順序如下：
U0 Y0 V0 Y1    U4 Y2 V4 Y3    Y4 Y5 Y6 Y8 …

Y211格式在水平方向上Y分量每2個(gè)像素采樣一次，而UV分量每4個(gè)像素采樣一次。一個(gè)宏像素為4個(gè)字節(jié)，實(shí)際表示4個(gè)像素。圖像數(shù)據(jù)中YUV分量排列順序如下：
Y0 U0 Y2 V0    Y4 U4 Y6 V4 …

YVU9格式為每個(gè)像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時(shí)，首先將圖像分成若干個(gè)4 x 4的宏塊，然后每個(gè)宏塊提取一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，首先是整幅圖像的Y分量數(shù)組，然后就跟著U分量數(shù)組，以及V分量數(shù)組。IF09格式與YVU9類似。

IYUV格式為每個(gè)像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時(shí)，首先將圖像分成若干個(gè)2 x 2的宏塊，然后每個(gè)宏塊提取一個(gè)U分量和一個(gè)V分量。YV12格式與IYUV類似。

YUV411、YUV420格式多見(jiàn)于DV數(shù)據(jù)中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411為每個(gè)像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個(gè)像素采樣一次。YUV420并非V分量采樣為0，而是跟YUV411相比，在水平方向上提高一倍色差采樣頻率，在垂直方向上以U/V間隔的方式減小一半色差采樣，如圖2.12所示。