视音频格式基础知识视频压缩 (2)

(2)YUV
除了RGB模型,还有一种广泛采用的模型,称为YUV模型,又被称为亮度-色度模型(Luma-Chroma)。它是通过数学转换,将RGB三个通道,转换为一个代表亮度的通道(Y,又称为Luma),和两个代表色度的通道(UV,并成为Chroma)。

举个形象点的例子:一家养殖场饲养猪和牛,一种记数方式是:(猪的数量,牛的数量)

但是也可以这么记录:(总数量=猪的数量+牛的数量,相差=猪的数量-牛的数量)。两种方法之间有数学公式可以互转。

YUV模型干的是类似的事儿。通过对RGB数据的合理转换,得到另一种表示方式。YUV模型下,还有不同的实现方式。举个用的比较多的YCbCr模型:它把RGB转换成一个亮度(Y),和 蓝色色度(Cb) 以及 红色色度(Cr)。转换背后复杂的公式大家不需要了解,只需要看看效果

(3)选择
在图像视频的加工与储存中,YUV格式一般更受欢迎,理由如下:
1、人眼对亮度的敏感度远高于色度,因此人眼看到的有效信息主要来自于亮度。YUV模型可以将绝大多数的有效信息分配到Y通道。UV通道相对记录的信息少的多。相对于RGB模型较为平均的分配,YUV模型将多数有效信息集中在Y通道,不但减少了冗余信息量,还为压缩提供了便利
2、保持了对黑白显示设备的向下兼容
3、图像编辑中,调节亮度和颜色饱和度,在YUV模型下更方便。
几乎所有的视频格式,以及广泛使用的JPEG图像格式,都是基于YCbCr模型的。播放的时候,播放器需要将YCbCr的信息,通过计算,转换为RGB。这个步骤称为渲染(Rendering)
每个通道的记录,通常是用整数来表示。比如RGB24,就是RGB各8个bit,用0~255 (8bit的二进制数范围)来表示某个颜色的强弱。YUV模型也不例外,也是用整数来表示每个通道的高低。

2、色深

色深(bit-depth),就是我们通常说的8bit和10bit,是指每个通道的精度。8bit就是每个通道用一个8bit整数(0~255)代表,10bit就是用10bit整数(0~1023)来显示。16bit则是0~65535

(注意,上文的表述是不严谨的,视频在编码的时候,并非一定能用到0~255的所有范围,而是可能有所保留,只用到一部分,比如16~235。这我们就不详细展开了)

你的显示器是8bit的,代表它能显示RGB每个通道0~255所有强度。但是视频的色深是YUV的色深,播放的时候,YUV需要通过计算转换到RGB。因此,10bit的高精度是间接的,它使得运算过程中精度增加,以让最后的颜色更细腻。

如何理解8bit显示器,播放10bit是有必要的呢:

一个圆的半径是12.33m, 求它的面积,保留两位小数。

半径的精度给定两位小数,结果也要求两位小数,那么圆周率精度需要给多高呢?也只要两位小数么?
取pi=3.14, 面积算出来是477.37平方米
取pi=3.1416,面积算出来是477.61平方米
取pi精度足够高,面积算出来是477.61平方米。所以取pi=3.1416是足够的,但是3.14就不够了。

换言之,即便最终输出的精度要求较低,也不意味着参与运算的数字,以及运算过程,可以保持较低的精度。在最终输出是8bit RGB的前提下,10bit YUV比起8bit YUV依旧具有精度优势的原因就在这里。事实上,8bit YUV转换后,覆盖的精度大概相当于8bit RGB的26%,而10bit转换后的精度大约可以覆盖97%——你想让你家8bit显示器发挥97%的细腻度么?看10bit吧。

8bit精度不足,主要表现在亮度较低的区域,容易形成色带:

3、色度半采样

在YUV模型的应用中,Y和UV的重要性是不等同的。图像视频的实际储存和传输中,通常将Y以全分辨率记录,UV以减半甚至1/4的分辨率记录。这个手段被称为色度半采样(Chroma Sub-Sampling)。色度半采样可以有效减少传输带宽,和加大UV平面的压缩率,但是不可避免的会损失UV平面的有效信息。

我们平常的视频,最常见的是420采样。配合YUV格式,常常被写作yuv420。这种采样是Y保留全部,UV只以(1/2) x (1/2)的分辨率记录。比如说1920×1080的视频,其实只有亮度平面是1920×1080。两个色度平面都只有960×540的分辨率。

当然了,你也可以选择不做缩减。这种称为444采样,或者yuv444。YUV三个平面全是满分辨率。

在做YUV->RGB的时候,首先需要将缩水的UV分辨率拉升到Y的分辨率(madVR中允许自定义算法,在Chroma Upscaling当中),然后再转换到RGB。做RGB->YUV的转换,也是先转换到444(YUV的分辨率相同),再将UV分辨率降低。

一般能拿到的片源,包括所有蓝光原盘,都是420采样的。所以成品一般也保留420采样。所以yuv420就表示这个视频是420采样的yuv格式。

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