1 基本概念

YUV 颜色空间从模拟电视时代开始就被广泛应用于彩色图像的转换与处理。其基于一个 3x3 的矩阵，通过线性变换将 RGB 像素转换为一个亮度（Luma）分量 Y 以及两个色度（Chroma）分量 U 和 V。由于模拟电视存在着多种制式，如 NTSC 与 PAL 等等，考虑到具体硬件与技术上的差异，它们通常会采用不同的转换矩阵系数。即便到了如今的数字电视时代，业界依旧会保留这些差异以保证兼容性，但同时又会根据需求发展出更多新的转换系数。这就导致了 YUV 颜色空间其实是一个非常混乱的概念，甚至于 YUV 本身也只是一个约定俗成的统称，其实际可能为 YCbCr, Y'CbCr, Y'UV, YPbPr, YCC 等等标准叫法中的一种。因此，如果不清楚具体的转换系数，在 RGB 转 YUV 再转回 RGB 的过程中就可能存在转换矩阵不互逆而产生颜色偏差的问题。但是，要完整地阐明 YUV 的各种转换系数是比较困难的，具体可网上查阅 Wiki 等相关资料。本文主要从实用性出发，对 OpenCV 中的 YUV 颜色空间转换进行一些梳理，毕竟 OpenCV 在图像预处理中是非常常用的。

首先要说明的是，尽管 RGB 与 YUV 的转换可通过一个 3x3 的矩阵变换来实现，但实际上这个 3x3 矩阵中的 9 个数字并不是完全独立选取的。YUV 另一个比较通用的叫法是 YCbCr，即 U 对应 Cb，V 对应 Cr。YCbCr 中的亮度 Y 由 R / G / B 加权求和所得，对应的是单通道的灰度图；而 Cb 反映了蓝色 B 分量与亮度 Y 的差异，Cr 反映了红色 R 分量与亮度 Y 的差异，Cb 与 Cr 统称为色差或色度。具体的转换公式如下：

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Y  = R2Y * R + G2Y * G + B2Y * B
Cb = (B - Y) * YCB + delta
Cr = (R - Y) * YCR + delta

其中 [ R2Y, G2Y, B2Y, YCB, YCR ] 决定了不同的转换矩阵，它们都是非负的。由于 Cb 与 Cr 反映的是色差，所以它们的数值分布应该关于原点 0 对称，因此需要加上一个 delta 偏移使其尽量落在与 Y 一致的区间，常用的是 delta = 128。通常来说，RGB 与 YUV 的转换不是正交变换，因此对于 256 x 256 x 256 正立方体分布的 RGB 值，转换所得的 YUV 分布并不同样满足正立方体的分布，而通常是一个截断的锥体。如果在 YUV 转换回 RGB 时使用了锥体外的 YUV 值，所得 RGB 值在现实中则是不存在的，因而也无法显示。

对于 RGB 转 YUV 或者 YUV 转 RGB，OpenCV 可通过调用 dst = cvtColor(src, code) 来实现，code 决定了所使用的转换系数以及 src 与 dst 的存储格式。注意，OpenCV 通常使用 BGR 而非 RGB 颜色顺序，但其依旧保留了对 RGB 顺序输入的支持，它们除了内存访问顺序不一样外并没有什么区别，因此在后续讨论 code 时，文章不会对 BGR 与 RGB 进行区分。通过查阅 OpenCV 源码中的 imgproc.hpp，可得 code 主要有：

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// YCbCr 4:4:4  <-->  BGR
COLOR_BGR2YCrCb    = 36,
COLOR_YCrCb2BGR    = 38,
// YUV 4:4:4  <-->  BGR
COLOR_BGR2YUV      = 82, 
COLOR_YUV2BGR      = 84,
// YUV_FOCC 4:2:0  -->  BGR
COLOR_YUV2BGR_NV12  = 91,
COLOR_YUV2BGR_NV21  = 93,
COLOR_YUV420sp2BGR  = COLOR_YUV2BGR_NV21,
COLOR_YUV2BGR_YV12  = 99,
COLOR_YUV2BGR_IYUV  = 101,
COLOR_YUV2BGR_I420  = COLOR_YUV2BGR_IYUV,
COLOR_YUV420p2BGR   = COLOR_YUV2BGR_YV12,
// YUV_FOCC 4:2:2  -->  BGR
COLOR_YUV2BGR_UYVY = 108,
COLOR_YUV2BGR_Y422 = COLOR_YUV2BGR_UYVY,
COLOR_YUV2BGR_UYNV = COLOR_YUV2BGR_UYVY,
COLOR_YUV2BGR_YUY2 = 116,
COLOR_YUV2BGR_YVYU = 118,
COLOR_YUV2BGR_YUYV = COLOR_YUV2BGR_YUY2,
COLOR_YUV2BGR_YUNV = COLOR_YUV2BGR_YUY2,
// BGR  <-->  YUV_FOCC 4:2:0
COLOR_BGR2YUV_I420  = 128,
COLOR_BGR2YUV_IYUV  = COLOR_BGR2YUV_I420,
COLOR_BGR2YUV_YV12  = 132,

可以看到，关于 RGB 与 YUV 转换的命名非常繁杂混乱，但以上的 code 实际所涉及的转换系数可分为三类。其中，第一类为 COLOR_BGR2YUV 及其反变换 COLOR_YUV2BGR；第二类为 COLOR_BGR2YCrCb 及其反变换 COLOR_YCrCb2BGR；第三类为带有 FOCC (Four-Character Code) 后缀的 COLOR_BGR2YUV_FOCC 及其反变换 COLOR_YUV2BGR_FOCC。而通过进一步探究，可知前两类用于非下采样 YUV 的转换，而第三类则用于经过下采样的 YUV 的转换。在这里我们先简单地介绍一下 YUV 的下采样格式，这对于后续的理解十分有帮助。

YUV 由一个亮度分量 Y 与两个色度分量 U 和 V 组成，而根据色彩科学的研究，人眼对亮度变化更加敏感，而对色度变化的感知则比较弱。因此，为了降低图像数据传输所需的带宽，通常会对色度分量 U 和 V 进行下采样，同时完整地保留 Y，这样可以尽可能地以较低成本维持相同的视觉主观体验。一般来说，U 和 V 的下采样位置是一样的。色度分量的下采样通常以每相邻的 4 个像素作为一个下采样单位，在其中保留 1 或 2 或 4 个像素，然而这相邻 4 个像素以及保留像素的选取方式是多样的，这就产生了非常繁杂的下采样格式，它们通常用 YUV 4 : m : n 来表示。下图是三种比较常用的下采样格式。

YUV 4 : m : n 通常是一种约定俗成的概念，m 与 n 并不一定具有实际意义。YUV 4:4:4 等同于保留所有的色度像素，这种格式通常只在 YUV 与 RGB 转换时使用。YUV 4:2:2 表示色度分量在水平方向上进行 1/2 的下采样，而垂直方向则不进行下采样，即 4 个像素中只保留 2 个，其中水平方向 1/2 下采样通常保留左侧像素而丢弃右侧像素，但这并不是强制的，在具体硬件实现中通常有多种模式选择，包括只保留右侧像素，或者两个像素求平均等等。YUV 4:2:2 通常只用在比较高端的摄像机图像处理芯片中。YUV 4:2:0 表示水平与垂直方向都进行 1/2 的下采样，即 4 个像素只保留 1 个，通常为左上角像素，但正如 YUV 4:2:2，其具体的实现也是可选的。YUV 4:2:0 是绝大多数图像处理芯片所使用的格式。YUV 4:1:1 类似于 YUV 4:2:0 只保留 4 个像素中的 1 个，但其只在水平方向上进行 1/4 的下采样，而垂直方向则完整保留，这种格式的应用相对较少。除了以上的格式以外，我们通常用 YUV 4:0:0 来表示灰度图，即只保留亮度 Y 而完全丢弃色度 U 和 V。当需要从下采样格式恢复到完整的 4:4:4 格式时，通常只需要把下采样时所保留的像素复制到所丢弃的像素位置即可，当然这不可避免会导致失真，但由于人眼对色度变化不敏感，这种失真是可接受的。

2 YUV 4:4:4 转换

对于非下采样 YUV，或者称为 YUV 4:4:4 格式，OpenCV 提供了两类转换系数。

对于第一类 COLOR_BGR2YUV 及其反变换 COLOR_YUV2BGR，虽然它的名字非常符合我们的认知直觉，但根据 Wikipedia 其应该属于比较久远的 BT.470 标准，目前已不多用。在 OpenCV 源码的 color_yuv.simd.hpp 中，可以看到

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//to YUV
static const float B2YF = 0.114f;
static const float G2YF = 0.587f;
static const float R2YF = 0.299f;
static const float B2UF = 0.492f;
static const float R2VF = 0.877f;

代入前面的转换公式，可得具体的转换系数与公式如下：

OpenCV中的RGB与YUV转换

1 基本概念

2 YUV 4:4:4 转换