使用 8 位 YUV 格式的視頻呈現

時間：2008-07-15 編輯：Gary Sullivan 和 Stephen Estrop

發布日期： 12/9/2004 | 更新日期： 12/9/2004

Gary Sullivan 和 Stephen Estrop

Microsoft Digital Media Division

適用於：

Microsoft® Windows®, Microsoft DirectShow®

摘要：本文講述了在 Microsoft Windows 操作系統中呈現視頻時推薦使用的 8 位 YUV 格式。本文講述了可用於在 YUV 格式和 RGB 格式之間進行轉換的技術，還提供了用於對 YUV 格式進行上采樣的技術。本文適用於在 Windows 中使用 YUV 視頻解碼或呈現的所有人員。

簡介

在整個視頻行業中，定義了很多 YUV 格式。本文講述的是在 Microsoft® Windows® 操作系統中呈現視頻時推薦使用的 8 位 YUV 格式。鼓勵解碼器供應商和顯示供應商支持本文所講述的格式。本文不對 YUV 顏色的其他用途（如靜止攝影）進行描述。

本文講述的格式全部使用每個像素位置 8 位的方式來編碼 Y 頻道（也稱為燈光頻道），並使用每樣例 8 位的方式來編碼每個 U 或 V 色度樣例。但是，大多數 YUV 格式平均使用的每像素位數都少於 24 位，這是因為它們包含的 U 和 V 樣例比 Y 樣例要少。本文不講述帶有 10 位和 12 位 Y 頻道的 YUV 格式。

注 在本文中，U 一詞相當於 Cb，V 一詞相當於 Cr。

本文包括以下主題：

在 DirectShow 中標識 YUV 格式

本文講述的每種 YUV 格式都指定了一個 FOURCC 碼。FOURCC 碼是一個 32 位、不帶正負號的整數，它是通過串聯四個 ASCII 字符創建而成的。

有很多 C/C++ 宏可使得在源代碼中聲明 FOURCC 值變得更加簡單。例如，MAKEFOURCC 宏是在 Mmsystem.h 中聲明的，FCC 宏則是在 Aviriff.h 中聲明的。請按照下列方式使用這些宏：

DWORD fccYUY2 = MAKEFOURCC('Y','U','Y','2');

DWORD fccYUY2 = FCC('YUY2');

只需通過調轉字符的順序，您還可以將 FOURCC 碼直接聲明為字符文本。例如：

DWORD fccYUY2 = '2YUY'; // Declares the FOURCC 'YUY2'

因為 Windows 操作系統使用的是 little-endian 體系結構，所以調轉順序是必需的。“Y”= 0x59，“U”= 0x55，“2”= 0x32，所以“2YUY”為 0x32595559。

在 DirectShow 中，格式是由一個主類型全局唯一標識符 (GUID) 和一個子類型 GUID 標識的。計算機視頻格式的主類型總是 MEDIATYPE_Video。子類型則可以通過將 FOURCC 碼與 GUID 進行映射的方式來構造，如下所示：

XXXXXXXX-0000-0010-8000-00AA00389B71

其中 XXXXXXXX 為 FOURCC 碼。因此，YUY2 的子類型 GUID 為：

32595559-0000-0010-8000-00AA00389B71

很多這樣的 GUID 都已經在頭文件 Uuids.h 中進行了定義。例如，YUY2 子類型被定義為 MEDIASUBTYPE_YUY2。DirectShow 基類庫還提供了一個幫助器類 FOURCCMap，該類可用於將 FOURCC 碼轉換為 GUID 值。FOURCCMap 構造函數采用 FOURCC 碼作為輸入參數。然後，您可以將 FOURCCMap 對象強制轉換為相應的 GUID：

FOURCCMap fccMap(FCC('YUY2'));

GUID g1 = (GUID)fccMap;

// Equivalent:

GUID g2 = (GUID)FOURCCMap(FCC('YUY2'));

YUV 采樣

YUV 的優點之一是，色度頻道的采樣率可比 Y 頻道低，同時不會明顯降低視覺質量。有一種表示法可用來描述 U 和 V 與 Y 的采樣頻率比例，這個表示法稱為 A:B:C 表示法：

圖 1 顯示了 4:4:4 圖片中使用的采樣網格。燈光樣例用叉來表示，色度樣例則用圈表示。

圖 1. YUV 4:4:4 樣例位置

4:2:2 采樣的這種主要形式在 ITU-R Recommendation BT.601 中進行了定義。圖 2 顯示了此標准定義的采樣網格。

圖 2. YUV 4:2:2 樣例位置

4:2:0 采樣有兩種常見的變化形式。其中一種形式用於 MPEG-2 視頻，另一種形式用於 MPEG-1 以及 ITU-T recommendations H.261 和 H.263。圖 3 顯示了 MPEG-1 方案中使用的采樣網格，圖 4 顯示了 MPEG-2 方案中使用的采樣網格。

圖 3. YUV 4:2:0 樣例位置（MPEG-1 方案）

圖 4. YUV 4:2:0 樣例位置（MPEG-2 方案）

與 MPEG-1 方案相比，在 MPEG-2 方案與為 4:2:2 和 4:4:4 格式定義的采樣網格之間進行轉換更簡單一些。因此，在 Windows 中首選 MPEG-2 方案，應該考慮將其作為 4:2:0 格式的默認轉換方案。

表面定義

本節講述推薦用於視頻呈現的 8 位 YUV 格式。這些格式可以分為幾個類別：

首先，您應該理解下列概念，這樣才能理解接下來的內容：

4:4:4 格式，每像素 32 位

推薦一個 4:4:4 格式，FOURCC 碼為 AYUV。這是一個打包格式，其中每個像素都被編碼為四個連續字節，其組織順序如下所示。

圖 5. AYUV 內存布局

標記了 A 的字節包含 alpha 的值。

4:2:2 格式，每像素 16 位

支持兩個 4:2:2 格式，FOURCC 碼如下：

兩個都是打包格式，其中每個巨像素都是編碼為四個連續字節的兩個像素。這樣會使得色度水平下采樣乘以系數 2。

YUY2

在 YUY2 格式中，數據可被視為一個不帶正負號的 char 值組成的數組，其中第一個字節包含第一個 Y 樣例，第二個字節包含第一個 U (Cb) 樣例，第三個字節包含第二個 Y 樣例，第四個字節包含第一個 V (Cr) 樣例，如圖 6 所示。

圖 6. YUY2 內存布局

如果該圖像被看作由兩個 little-endian WORD 值組成的數組，則第一個 WORD 在最低有效位 (LSB) 中包含 Y0，在最高有效位 (MSB) 中包含 U。第二個 WORD 在 LSB 中包含 Y1，在 MSB 中包含 V。

YUY2 是用於 Microsoft DirectX® Video Acceleration (DirectX VA) 的首選 4:2:2 像素格式。預期它會成為支持 4:2:2 視頻的 DirectX VA 加速器的中期要求。

UYVY

此格式與 YUY2 相同，只是字節順序是與之相反的 — 就是說，色度字節和燈光字節是翻轉的（圖 7）。如果該圖像被看作由兩個 little-endian WORD 值組成的數組，則第一個 WORD 在 LSB 中包含 U，在 MSB 中包含 Y0，第二個 WORD 在 LSB 中包含 V，在 MSB 中包含 Y1。

圖 7. UYVY 內存布局

4:2:0 格式，每像素 16 位

推薦兩個 4:2:0 每像素 16 位格式，FOURCC 碼如下：

兩個 FOURCC 碼都是平面格式。色度頻道在水平方向和垂直方向上都要以系數 2 來進行再次采樣。

IMC1

所有 Y 樣例都會作為不帶正負號的 char 值組成的數組首先顯示在內存中。後面跟著所有 V (Cr) 樣例，然後是所有 U (Cb) 樣例。V 和 U 平面與 Y 平面具有相同的跨距，從而生成如圖 8 所示的內存的未使用區域。

圖 8. IMC1 內存布局

IMC3

此格式與 IMC1 相同，只是 U 和 V 平面進行了交換：

圖 9. IMC3 內存布局

4:2:0 格式，每像素 12 位

推薦四個 4:2:0 每像素 12 位格式，FOURCC 碼如下：

在所有這些格式中，色度頻道在水平方向和垂直方向上都要以系數 2 來進行再次采樣。

IMC2