關於YUV影片
數字視訊通常會以 YUV 格式編碼。 本文說明 YUV 影片的一般概念，以及一些術語，而不深入討論 YUV 影片處理的數學。
如果您已使用電腦圖形，您可能已熟悉 RGB 色彩。 RGB 色彩會使用三個值來編碼：紅色、綠色和藍色。 這些值會直接對應至可見光譜的部分。 這三個 RGB 值會形成數學座標系統，稱為 色彩空間。 紅色元件會定義這個座標系統的一個座標軸，藍色定義第二個座標軸，而綠色則定義第三個座標軸，如下圖所示。 任何有效的 RGB 色彩都落在此色彩空間內的某個位置。 例如，純洋紅是 100% 藍色、100% 紅色，以及 0% 綠色。
顯示 rgb 色彩空間的 
雖然 RGB 是代表色彩的常見方式，但可能會有其他座標系統。 YUV 一詞是指一系列色彩空間，這些色彩空間全都會將亮度資訊與色彩資訊分開編碼。 如同 RGB，YUV 會使用三個值來表示任何色彩。 這些值稱為 Y'、U 和 V.（事實上，使用 “YUV” 一詞在技術上不正確。在計算機影片中，YUV 一詞幾乎一律是指一個名為 Y'CbCr 的特定色彩空間，稍後討論。不過，YUV 通常用於任何與 Y'CbCr 相同的原則運作的色彩空間的一般詞彙。
Y 的元件也稱為 luma，代表色彩的亮度值。 撇號（'）用來區分 luma 與緊密相關的值，亮度，此值指定為 Y。亮度衍生自 線性 RGB 值，而 luma 則衍生自 非線性 （伽馬校正）RGB 值。 亮度是衡量真實亮度的更準確指標，但由於技術上的實用性，luma 更便於使用。 主要符號經常省略，但 YUV 色彩空間一律使用 luma，而不是亮度。
Luma 衍生自 RGB 色彩，方法是採用紅色、綠色和藍色元件的加權平均值。 針對標準定義電視，會使用下列公式：
Y' = 0.299R + 0.587G + 0.114B
這個公式反映了人眼對某些波長的光比其他波長更加敏感的事實，這會影響色彩的感知亮度。 藍燈呈現最暗，綠色看起來最亮，紅色位於兩者之間的某個位置。 這個公式還反映了早期電視中使用的磷的身體特徵。 考慮到現代電視技術，較新的公式用於高清電視：
Y' = 0.2125R + 0.7154G + 0.0721B
標準定義電視的 luma 方程式是在名為 bt.601 ITU-R 的規格中定義的。 對於高清電視，相關規格 ITU-R BT.709。
U 和 V 元件也稱為 色度 值或 色彩差異 值，是藉由從原始 RGB 色彩的紅色和藍色元件中減去 Y 值而得出。
U = B - Y'
V = R - Y'
這些值一起包含足夠的資訊來復原原始 RGB 值。
YUV 的優點
模擬電視由於歷史原因而部分使用 YUV。 類比彩色電視信號旨在與黑白電視回溯相容。 彩色電視信號帶有色度資訊（U 和 V），疊加到亮度信號上。 黑白電視會忽略色度，並將結合的訊號顯示為灰階圖像。 （信號的設計目的是使色度不會顯著干擾 luma 訊號。彩色電視可以擷取色度，並將訊號轉換回 RGB。
YUV 有另一個優勢，在現今時代更具相關性。 人眼對色調變化的敏感度比亮度的變化要低。 因此，影像的色度資訊可能比 luma 資訊少，而不會犧牲影像的感知品質。 例如，在 luma 樣本的水平解析度的一半處取樣色度值很常見。 換句話說，針對每一排像素中的每兩個 luma 樣本，會有一個 U 樣本和一個 V 樣本。 假設使用 8 個位來編碼每個值，則每兩個圖元需要 4 個字節（兩個 Y'、一個 U 和一個 V），平均每圖元 16 位，或比對等 24 位 RGB 編碼少 30%。
YUV 原本就不比 RGB 更精簡。 如果不是因為色度向下取樣，YUV 像素的大小就和 RGB 像素相同。 此外，從 RGB 轉換為 YUV 是無損的。 如果沒有向下取樣，則 YUV 像素可以轉換成 RGB，且不會遺失資訊。 縮小取樣會使 YUV 影像更小，也會失去一些色彩資訊。 不過，如果正確執行，則損失並不明顯。
計算機影片中的 YUV
先前針對 YUV 列出的公式不是數位視訊中使用的確切轉換。 數字視頻通常會使用一種稱為 Y'CbCr 的 YUV 形式。 基本上，Y'CbCr 的運作方式是將 YUV 元件調整為下列範圍：
| 元件 | 範圍 |
|---|---|
| Y' | 16–235 |
| Cb/Cr | 16–240,128 代表零 |
這些範圍假設 Y'CbCr 元件具有 8 位的精度。 以下是 Y'CbCr 的確切衍生，使用 luma 的 BT.601 定義：
從範圍 [0...1] 中的 RGB 值開始。 換句話說，純黑色是0，純白色是1。 重要的是，這些是非線性（伽瑪更正）RGB 值。
計算亮度。 若為 BT.601，Y' = 0.299R + 0.587G + 0.114B，如先前所述。
計算中繼色度差異值 （B - Y'） 和 （R - Y'）。 這些值的範圍是 +/- 0.886 代表 （B - Y'），而 +/- 0.701 代表 （R - Y'）。
調整色度差異值，如下所示：
Pb = （0.5 / （1 - 0.114）） × （B - Y'）
Pr = （0.5 / （1 - 0.299）） × （R - Y'）
這些縮放比例的設計目的是為兩個值提供相同的數值範圍 +/- 0.5。 它們會一起定義名為 Y'PbPr 的 YUV 色彩空間。 此色彩空間用於類比元件視訊。
調整 Y'PbPr 值以取得最終的 Y'CbCr 值：
Y' = 16 + 219 × Y'
Cb = 128 + 224 × Pb
Cr = 128 + 224 × Pr
這些最後一個縮放比例會產生上表所列的值範圍。 當然，您可以直接將 RGB 轉換成 Y'CbCr，而不需要儲存中繼結果。 此處分別列出這些步驟，說明 Y'CbCr 如何衍生自本文開頭所提供的原始 YUV 方程式。
下表顯示各種色彩的 RGB 和 YCbCr 值，再次使用 luma 的 BT.601 定義。
| 顏色 | R | G | B | Y' | Cb | 鉻 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 黑 | 0 | 0 | 0 | 16 | 128 | 128 |
| 紅 | 255 | 0 | 0 | 81 | 90 | 240 |
| 綠 | 0 | 255 | 0 | 145 | 54 | 34 |
| 藍 | 0 | 0 | 255 | 41 | 240 | 110 |
| 青色 | 0 | 255 | 255 | 170 | 166 | 16 |
| 品紅 | 255 | 0 | 255 | 106 | 202 | 222 |
| 黃色 | 255 | 255 | 0 | 210 | 16 | 146 |
| 白 | 255 | 255 | 255 | 235 | 128 | 128 |
如下表所示，Cb 和 Cr 不會對應到有關色彩的直覺式想法。 例如，純白色和純黑色都包含 Cb 和 Cr （128） 的中性層級。 Cb 的最高值和最低值分別為藍色和黃色。 針對Cr，最高和最低的值為紅色和青色。
如需詳細資訊
- 推薦的 8 位元 YUV 格式用於影片渲染
- 基思·傑克 影像揭秘，第五版。 紐恩斯，2007年。
- 查理斯·龐頓 數字視訊的技術簡介。 威利，1996年。
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