在學習Metal繪製渲染的過程中，看到了顏色編碼轉換有關的YUV，之前知道YUV和RGB都是顏色變色編碼種類，但是一直不知道具體是啥以及有啥聯絡。所以花了點時間翻看資料並思考理解和整理了一下知識點。
RGB和YUV
我們知道顏色都是有三原色（紅、綠、藍）組成的，也就是RGB，可以組成非常多的顏色，這些我們都知道的知識。在我們錄製視訊和播放視訊的時候採用的一般都是RGB編碼格式，在螢幕上每一個畫素點都含有R分量、G分量、B分量，由這些一個個的畫素上展示的顏色才構成了我們看見的圖片，視訊是一幀幀圖片組成的。 說完了RGB，寡下YUV，YUV和RGB一樣，也是每個畫素都含有Y、U、V三中分量。YUV和黑白電視有關，正是因為工程師想要在黑白裝置上呈現彩色而發明的編碼格式?，YUV是由Y(明亮度)、UV(色度)組成的，其實只要有Y值就能看見圖片、視訊，只不過是黑白的。
RGB編碼格式中每個分量佔一個位元組，即8bit，一個畫素佔用24bit空間，而YUV4:4:4編碼格式中也是一樣的(後面會說到YUV編碼格式)大小。
假如一張圖片大小為1024*1024，那麼他的大小為:
imageSize = 1024x1024x3x8/8/1024/1024 = 3.0MB
RGB和YUV的轉換
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
U = -0.14713R - 0.28886G + 0.436B
V = 0.615G - 0.51499G - 0.10001B
R = 1.0Y + 1.13983V
G = 1.0Y - 0.39465U - 0.58060V
B = 1.0Y + 2.03211U
YUV編碼格式
主流取樣方式三種：YUV4:4:4、YUV4:2:2、YUV4:2:0。YUV編碼方式可以減少圖片的大小，減少頻寬和資源。
YUV 4:4:4取樣
圖中展示的有6個畫素，每個畫素有YUV分量組成。從圖片我們知道YUV4:4:4取樣方式每個分量都取樣，所以同等寬高的圖片的大小和RGB的大小是一致的。通過這個取樣方式圖片大小並沒有減少，但是在編碼轉換的時候，影像從RGB轉YUV，首先轉成該取樣方式的影像，然後再通過其他取樣方式進行轉換。
YUV 4:2:2取樣
從這張圖片我們知道該取樣的特點就是UV分量分別隔一個畫素進行取樣，即兩個畫素共用一個UV分量，Y和UV分量按2:1的比例取樣。採用這種編碼方式，圖片大小是原圖大小的66.7%，這就是為啥會廣泛採用YUV編碼方式來進行傳輸，可以減少頻寬、節約資源。
YUV 4:2:0取樣
從上面我們知道YUV4:2:2方式圖片大小就減少了1/3，但是常用的是YUV 4:2:0取樣方式。
從上圖可知，我們知道圖片比在RGB空間的大小減少了50%，是不是很誇張！但這就是他的神奇之處。圖中有兩行畫素，每行畫素有6個畫素。該取樣方式的特點就是4個畫素共用一套UV分量，每個畫素均取Y分量，一行畫素取U分量，鄰行畫素取V分量，並且UV分量畫素取一次。例如圖中的第0、1、7、8畫素共用了U0和V8。正是由於該取樣方式可以直接減少一半的圖片大小，該方式很常用。
YUV儲存格式
YUV取樣儲存資料有兩種方式：
- planr: 平面格式，先連續儲存畫素點的Y分量，其次儲存U分量，最後儲存V分量。
- packed: 打包模式，每個畫素點的Y分量、U分量、V分量連續交替儲存的。
正式由於取樣的方式不同和儲存格式的不同所以有多種YUV格式，這些格式主要基於YUV 4:2:2取樣和YUV4:2:0取樣。
| YUV儲存格式 | 基於YUV 4:2:2取樣格式 | 基於YUV 4:2:0取樣格式 |
|---|---|---|
| planr | YUV420P、YUV420SP | |
| packed | YUYV、UYVY、YUV422P(I422) |
packed方式
上表中的打包樣式YUYV、UYVY都是根據每個畫素均取Y分量，隔畫素取U、V分量。所以他的儲存排序如下：
YUYV:
Y0U0 Y1V0 Y2U2 Y3V2 Y4U4 Y5V4 Y6U6
UYVY:
U0Y0 V0Y1 U2Y2 V2Y3 U4Y4 V4Y5 U6Y6
YUV422P格式和上面差不多，都是類似的組合方式。
planr方式
| 基於YUV 4:2:0樣式 | 格式 |
|---|---|
| YUV420P | YU12、YV12 |
| YUV420SP | NV12、NV21 |
YU12和YV12是YUV420P型別，先儲存Y分量，然後在儲存UV分量，不同的是YU12是先Y再U後V，YV12是先Y再V後U儲存。
Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 ...
Uo U1 ...
V0 V1 ...
YUV420SP有NV12和NV21兩種格式。與YUV 420P不同的是先儲存Y分量，然後UV分量交替儲存。其中NV12是iOS中有的模式，就是先儲存Y分量，UV分量交替儲存時先U後V；而NV21時Android Q中有的模式，就是先儲存Y分量，UV分量交替儲存時先V後U。
總結
通過了解YUV、RGB編碼兩者的關係，以及YUV編碼格式帶來的收益可以讓我們在開發中有一定的幫助，以及YUV儲存方式可以開拓一下知識點。
參考：
1.YUV-維基百科
2.YUV取樣與格式