DirectShow中常見的RGB/YUV格式
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文章來源: http://hqtech.nease.net 
原文作者: 陸其明 
整理日期: 2004/12/27 
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小知識：RGB與YUV----摘自《DirectShow實務精選》 作者：陸其明

計算機彩色顯示器顯示色彩的原理與彩色電視機一樣，都是采用R（Red）、G（Green）、B（Blue）相加混色的原理：通過發射出三種不同強度的電子束，使屏幕內側覆蓋的紅、綠、藍磷光材料發光而產生色彩。這種色彩的表示方法稱為RGB色彩空間表示（它也是多媒體計算機技術中用得最多的一種色彩空間表示方法）。
根據三基色原理，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。當三基色分量都為0（最弱）時混合為黑色光；而當三基色分量都為k（最強）時混合為白色光。調整r、g、b三個系數的值，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又從何而來呢？在現代彩色電視系統中，通常采用三管彩色攝像機或彩色CCD攝像機進行攝像，然后把攝得的彩色圖像信號經分色、分別放大校正后得到RGB，再經過矩陣變換電路得到亮度信號Y和兩個色差信號R－Y（即U）、B－Y（即V），最后發送端將亮度和色差三個信號分別進行編碼，用同一信道發送出去。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Y和色度信號U、V是分離的。如果只有Y信號分量而沒有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Y解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題，使黑白電視機也能接收彩色電視信號。
YUV與RGB相互轉換的公式如下（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，常見的RGB格式有RGB1、RGB4、RGB8、RGB565、RGB555、RGB24、RGB32、ARGB32等；常見的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明類型（Subtype），它們對應的GUID見表2.3。

表2.3 常見的RGB和YUV格式

GUID    格式描述
MEDIASUBTYPE_RGB1    2色，每個像素用1位表示，需要調色板
MEDIASUBTYPE_RGB4    16色，每個像素用4位表示，需要調色板
MEDIASUBTYPE_RGB8    256色，每個像素用8位表示，需要調色板
MEDIASUBTYPE_RGB565    每個像素用16位表示，RGB分量分別使用5位、6位、5位
MEDIASUBTYPE_RGB555    每個像素用16位表示，RGB分量都使用5位（剩下的1位不用）
MEDIASUBTYPE_RGB24    每個像素用24位表示，RGB分量各使用8位
MEDIASUBTYPE_RGB32    每個像素用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都是調色板類型的RGB格式，在描述這些媒體類型的格式細節時，通常會在BITMAPINFOHEADER數據結構后面跟著一個調色板（定義一系列顏色）。它們的圖像數據并不是真正的顏色值，而是當前像素顏色值在調色板中的索引。以RGB1（2色位圖）為例，比如它的調色板中定義的兩種顏色值依次為0x000000（黑色）和0xFFFFFF（白色），那么圖像數據001101010111…（每個像素用1位表示）表示對應各像素的顏色為：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字（WORD，一個字等于兩個字節）來操作一個像素。當讀出一個像素后，這個字的各個位意義如下：
     高字節              低字節
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）。使用一個字讀出一個像素后，這個字的各個位意義如下：
     高字節             低字節
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位來表示一個像素，RGB分量都用8位表示，取值范圍為0-255。注意在內存中RGB各分量的排列順序為：BGR BGR BGR…。通常可以使用RGBTRIPLE數據結構來操作一個像素，它的定義為：

typedef struct tagRGBTRIPLE { 
  BYTE rgbtBlue;    // 藍色分量
  BYTE rgbtGreen;   // 綠色分量
  BYTE rgbtRed;     // 紅色分量
} RGBTRIPLE;

¨ RGB32使用32位來表示一個像素，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。）注意在內存中RGB各分量的排列順序為：BGRA BGRA BGRA…。通常可以使用RGBQUAD數據結構來操作一個像素，它的定義為：

typedef struct tagRGBQUAD {
  BYTE    rgbBlue;      // 藍色分量
  BYTE    rgbGreen;     // 綠色分量
  BYTE    rgbRed;       // 紅色分量
  BYTE    rgbReserved;  // 保留字節（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分量存放在同一個數組中，通常是幾個相鄰的像素組成一個宏像素（macro-pixel）；而后者使用三個數組分開存放YUV三個分量，就像是一個三維平面一樣。表2.3中的YUY2到Y211都是打包格式，而IF09到YVU9都是平面格式。（注意：在介紹各種具體格式時，YUV各分量都會帶有下標，如Y0、U0、V0表示第一個像素的YUV分量，Y1、U1、V1表示第二個像素的YUV分量，以此類推。）

¨ YUY2（和YUYV）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節，實際表示2個像素。（4:2:2的意思為一個宏像素中有4個Y分量、2個U分量和2個V分量。）圖像數據中YUV分量排列順序如下：
Y0 U0 Y1 V0    Y2 U2 Y3 V2 …

¨ YVYU格式跟YUY2類似，只是圖像數據中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，只是圖像數據中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Alpha通道，并且為每個像素都提取YUV分量，圖像數據格式如下：
A0 Y0 U0 V0    A1 Y1 U1 V1 …

¨ Y41P（和Y411）格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。一個宏像素為12個字節，實際表示8個像素。圖像數據中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個像素采樣一次，而UV分量每4個像素采樣一次。一個宏像素為4個字節，實際表示4個像素。圖像數據中YUV分量排列順序如下：
Y0 U0 Y2 V0    Y4 U4 Y6 V4 …

¨ YVU9格式為每個像素都提取Y分量，而在UV分量的提取時，首先將圖像分成若干個4 x 4的宏塊，然后每個宏塊提取一個U分量和一個V分量。圖像數據存儲時，首先是整幅圖像的Y分量數組，然后就跟著U分量數組，以及V分量數組。IF09格式與YVU9類似。

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

¨ YUV411、YUV420格式多見于DV數據中，前者用于NTSC制，后者用于PAL制。YUV411為每個像素都提取Y分量，而UV分量在水平方向上每4個像素采樣一次。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。