详解YUV色彩模型与RGB色彩模型

一、背景及由来

光通过角膜、瞳孔、晶状体的折射光线，透过玻璃体到达视网膜。视网膜上分布着光感受器。光感受器按形状可分为两大类：视杆细胞和视锥细胞。色觉的形成与3中视锥细胞相关，它们分别包含光谱吸收峰在光谱红、绿、蓝区的视色素蛋白，分别对红光、绿光、蓝光有最佳反应。

人眼对色彩细节的分辨率比对亮度细节的分辨率要差。假设亮度（黑白两色）分辨率为1，则对红色为0.4，对绿色和蓝色为0.19.所以就会有两种色彩模型分别是：RGB（Red、Green、Blue）色彩模型、YUV色彩模型（Y黑白亮度值，U、V为色度值）。

对于黑白视频图像，每一个样本点只需要用单值表示其亮度信息。对于彩色视频图像，每一个样本点则需要多个数值表示。常用一维、二维、三维甚至四维模型表示某一色彩。不同的数字图像系统会用不同的颜色模型表示。例如计算机系统常用RGB色彩模型，在彩色电视系统中使用YUV色彩模型，彩色印刷机则用CMYK色彩模型。

二、RGB色彩模型

RGB色彩模型与人眼视觉系统联系紧密（上文提过），是最常用的色彩模型。电视摄像机及电视显示器根据RGB模型工作。根据人类视觉系统特征，任何一种人眼能感知的颜色都可以用红、绿、蓝三种基色光按照不同的比例混合。例如：白色=100%红色+100%绿色+100%蓝色；黄色=100%红色+100%绿色+0%蓝色。因此RGB模型也称为加色法混色模型，可以用三维笛卡尔坐标系描述。

如图所示：

三个坐标分别代表R，G，B黑色定在原点，白色定在（1，1，1）

RGB模型的空间是个单位正方体。立方体内的奇遇各点对应不同的颜色，可以用从原点各点对应不同的颜色，可以从原点到该点的矢量表示，三个坐标值分别为红、绿、蓝三色的比例。在数字系统中这个单位空间被离散化，通常每个分量都用8位整数表示，这样每个像素需要24位表示。

三、YUV色彩模型

YUV色彩模型利用人类视觉对亮度的敏感度比对色度的敏感度高的特点获得较RGB色彩模型的优势，为彩色电视系统广泛使用。YUV色彩模型将亮度信息从色度信息中分离了出来，并且对同一帧图像的亮度和色度采用了不同的采样率。在YUV色彩模型中，亮度信息Y与色度信息U\V相互独立。Y信号分量为黑白灰度图。U、V信号分量为单色彩色图。黑白电视只利用Y分量，也解决了黑白电视和彩色电视的兼容问题。

YUV的采样格式如图所示：

4：4：4，YUV三个分量具有相同的水平和垂直分辨率。4:2：2，YUV三个分量具有相同的垂直分辨率，但在水平方向上，UV两个分量的分辨率是Y的一半。即每4个亮度分量样本值，对应有2个U和2个V色度分量样本值。4:2：0，在水平方向上和垂直方向上，UV两个分量的分辨率是Y的一半，即每4个亮度分量样本值，对应有1个U和1个V色度分量样本值。

四、RGB色彩模型与YUV色彩模型存在以下简单的转换关系：

从RGB到YUV的转换关系如下：

当转换的目标是YUV4：4：4格式时，只需用对应的变换公式进行格式转换，不会带来信息的损失。如果是4:2：2或者4:2：0格式时，则先需要按照样本的位置进行抽样，这样会损失一部分色差信息，但对视觉效果影响不大。

从YUV到RGB的转换关系如下：

同理，当是从YUV4:4：4格式时，只需用对应的变换公式进行格式转换，不会带来信息的损失。如果是4:2：2或4:2：0格式转换时，需要先对U、V两个分量使用插值方法补齐缺少的像素值。

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