作者：王劲男,华清远见嵌入式培训中心讲师。
计算机彩色显示器显示色彩的原理与彩色电视机一样,都是采用 R(Red)、G(Green)、B(Blue)相加混色的原理:通过发射出三种不同强度的电子束,使屏幕内侧覆盖的红、绿、蓝磷光材料发光而产生色彩。这种色彩的表示方法称为 RGB 色彩空间表示(它也是多媒体计算机技术中用得最多的一种色彩空间表示方法)。
根据三基色原理,任意一种色光 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 分别为三基色参与混合的系数。当三基色分量都为 0(最弱)时混合为黑色光;而当三基色分量都为 k(最强)时混合为白色光。调整 r、g、
b 三个系数的值,可以混合出介于黑色光和白色光之间的各种各样的色光。
那么 YUV 又从何而来呢?在现代彩色电视系统中,通常采用三管彩色摄像机或彩色 CCD 摄像机进行摄像,然后把摄得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到 RGB,再经过矩阵变换电路得到亮度信号 Y 和两个色差信号 R-Y(即 U)、B-Y(即 V),最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码,用同一信道发
送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的 YUV 色彩空间表示。
采用 YUV 色彩空间的重要性是它的亮度信号 Y 和色度信号 U、V 是分离的。如果只有 Y 信号分量而没有 U、V 分量,那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用 YUV 空间正是为了用亮度信号 Y 解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题,使黑白电视机也能接收彩色电视信号。
YUV和RGB之间的转换关系
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
RGB 图像为例
RGB565 使用 16 位表示一个像素,这 16 位中的 5 位用于 R,6 位用于 G,5位用于 B。程序中通常使用一个字(WORD,一个字等于两个字节)来操作一个像素。当读出一个像素后,这个字的各个位意义如下:
高字节 低字节
R R R R R G G G G G G B B B B B
在C语言中可以组合使用屏蔽字和移位操作来得到 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; // 取值范围 0-31
G = (wPixel & RGB565_MASK_GREEN) >> 5; // 取值范围 0-63
B = (wPixel & RGB565_MASK_BLUE);
RGB555 是另一种16位的RGB格式，RGB分量都用5位表示（留下1位不使用）。使用一个字读出一个像素后，这个字的各位意思如下：
高字节 低字节
XRRRRRGG GGGBBBBB (X表示不用，可以忽略)
可以通过组合使用屏蔽字和移位操作来得到 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; // 取值范围 0-31
G = (wPixel & RGB555_MASK_GREEN) >> 5; // 取值范围 0-31
B = (wPixel & RGB555_MASK_BLUE); // 取值范围 0-31
接下来是RGB24，它使用24位来表示一个像素，RGB分量都用8位表示，取值范围为0-255。
注意在内存中RGB各分量的排列顺序为：BGR，BGR，BGR，，，，，，，通常可以使用RGBTRIPLE数据结构进行像素操作。
typedef struct tagRGBTRIPLE {
BYTE rgbtBlue; // 蓝色分量
BYTE rgbtGreen; // 绿色分量
BYTE rgbtRed; // 红色分量
} RGBTRIPLE;
这也算是编程技巧。
RGB32使用32位来表示一个像素，RGB分量各用8位，剩下的8位用作Alpha通道或者不用。（ARGB32就是带有Alpha通道的）注意在内存中RGB各分量的排列顺序为：BGRA，，，BGRA，，RGBQUAD数据结构来操作一个像素，
typedef struct tagRGBQUAD {
BYTE rgbBlue; // 蓝色分量
BYTE rgbGreen; // 绿色分量
BYTE rgbRed; // 红色分量
BYTE rgbReserved; // 保留字节(用作 Alpha 通道或忽略)
} RGBQUAD;
上面介绍的是常见的RGB格式图像的分类。
下面介绍YUV图像
YUV格式的图像数据也是比较常见的。它主要有打包格式和平面格式，前者将YUV分量存在同一个数组中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素；后者是将YUV分量分别存储在三个数组中，其中YUY2，YUYV，YVYU，UYVY，AYUV，Y41P，Y411，Y211都是打包格式，IF09，IYUV,YV12,YVU9都是平面格式。
YUY2(YUYV)格式为每个像素保留Y分量，UV分量在水平方向上每两个像素采样一次。
一个宏像素是4个字节，实际上表示两个像素点的信息。（4:2:2的含义是一个宏像素中，4个Y分量，2个U分量，2个V分量）
YUV2（YUYV）格式如下：
Y0 U0 Y1 V0
Y2 U2 Y3 V2 ...
YVYU 格式跟 YUY2 类似,只是图像数据中 YUV 分量的排列顺序有所不同:
Y0 V0 Y1 U0
Y2 V2 Y3 U2 ...
UYVY 格式跟 YUY2 类似,只是图像数据中 YUV 分量的排列顺序有所不同:
U0 Y0 V0 Y1
U2 Y2 V2 Y3 ...
AYUV 格式带有一个 Alpha 通道,并且为每个像素都提取 YUV 分量,图像数据格式如下：
A0 Y0 U0 V0
A1 Y1 U1 V1 ...
YUV411、YUV420 格式多见于 DV 数据中,前者用于 NTSC 制,后者用于 PAL制。YUV411 为每个像素都提取 Y 分量,而 UV 分量在水平方向上每 4 个像素采样一次。YUV420 并非 V 分量采样为 0,而是跟 YUV411 相比,在水平方向上提高一倍色差采样频率,在垂直方向上以 U/V 间隔的方式减小一半色差采样。
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