【音视频学习】四、深入解析视频技术中的YUV数据存储方式：从原理到实践
文章目录
- 引言
- 1. YUV 基础：为什么它比 RGB 更适合视频？
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- 1.1 YUV 与 RGB 的核心区别
- 1.2 YUV色度下采样简介
- 2. YUV 的三大存储方式
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- 方式一：平面格式（Planar）
- 方式二：半平面格式（Semi-Planar ）
- 方式三：打包格式（Packed YUV）
- 三种存储方式对比：
- 3. 如何选择合适的 YUV 格式？
- 4. 总结
引言
在数字视频的世界里，YUV 是一种比 RGB 更高效的颜色表示方法，尤其在视频编码、传输和存储中占据核心地位。然而，YUV 数据的存储方式多种多样，不同的排列格式（如 I420、NV12、YUYV）直接影响着视频处理的性能、兼容性和内存效率。
本文将系统地介绍：
- YUV 的核心概念与优势
- YUV 数据的三大存储方式：平面、半平面与打包格式
- 主流格式（I420、NV12、YUYV）的内存布局与访问方法
1. YUV 基础：为什么它比 RGB 更适合视频？
1.1 YUV 与 RGB 的核心区别
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RGB：直接存储红、绿、蓝三原色，每个像素独立保存三个分量。
- 优点：直观，适合显示渲染。
- 缺点：数据冗余，压缩效率低（如 RGB24 每像素占 3 字节）。
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YUV：将图像分离为 亮度（Y） 和 色度（U/V），利用人眼对亮度敏感、对色度不敏感的特性，通过色度下采样大幅减少数据量。
- 优点：节省带宽（如 YUV420 比 RGB24 小 50%），更适合视频编码。
1.2 YUV色度下采样简介
| 格式 | 采样方式 | 色度分辨率 | 压缩率 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 4:4:4 | 无下采样，YUV全分辨率 | 与Y相同（100%） | 1:1 | 电影制作、专业调色 |
| 4:2:2 | 水平方向色度减半，垂直方向全保留 | 水平50%，垂直100% | 2:1 | 广播级视频、ProRes |
| 4:2:0 | 水平+垂直方向色度均减半 | 水平50%，垂直50% | 4:1 | H.264/H.265、流媒体 |
| 4:1:1 | 水平方向色度降为1/4，垂直全保留 | 水平25%，垂直100% | 3:1 | 部分DV摄像机 |
注：YUV420 是视频编码的主流选择，在画质和压缩率之间取得平衡。
2. YUV 的三大存储方式
YUV 数据在内存中的排列方式主要分为三类，每种方式各有优劣。以下以YUV420格式为主说明：
方式一：平面格式（Planar）
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特点：
- 1、Y、U、V 三个分量完全分离，存储在独立的内存区域。
- 2、色度下采样：U 和 V 的分辨率通常是 Y 的 1/2 或 1/4（如 YUV420）。
- 3、适用场景：软件编码（FFmpeg/x264）、跨平台兼容。
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代表格式：I420、YV12
格式 存储顺序 示例应用 I420（YUV420P） YYYYYYYY UU VV H.264 视频编码 YV12 YYYYYYYY VV UU 部分旧编解码器 -
存储结构：
[Y1 Y2 Y3 ...] (所有Y分量连续存储) [U1 U2 ...] (所有U分量连续存储) [V1 V2 ...] (所有V分量连续存储) -
内存布局示例（I420，4×4 图像）：
Y 分量：[Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16]（16字节） U 分量：[U1 U2 U3 U4]（4字节，水平/垂直各降采样2倍） V 分量：[V1 V2 V3 V4]（4字节） 总大小：16 + 4 + 4 = 24 字节（对比RGB24需要 16×3=48 字节） -
示意图如下：
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访问方式（C 代码）
uint8_t *y_plane = frame; // Y 分量起始地址