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音视频基础（图像的基础概念）

news 来源：原创 2025/6/11 5:30:51

文章目录

- **1. 像素（Pixel）**
- **2. 分辨率（Resolution）**
- **3. 位深（Bit Depth）**
- **4. 帧率（Frame Rate, FPS）**
- **5. 码率（Bitrate）**
- **6. Stride（步长/行跨度）**
- **总结**
- **1. RGB 色彩空间**
- - **概念**
  - **RGB 的表示方式**
  - **RGB 的特点**
- **2. YUV 色彩空间**
- - **概念**
  - **YUV 的表示方式**
  - **YUV 的特点**
- **3. RGB vs. YUV 对比**
- **4. RGB 和 YUV 的转换**
- - **RGB 转 YUV 公式**
  - **YUV 转 RGB 公式**
- **5. 总结**

在图像和视频处理中，有几个重要的基础概念需要理解，包括像素、分辨率、位深、帧率、码率和 Stride。下面我们逐一讲解这些概念：

1. 像素（Pixel）

定义：像素（Pixel, Picture Element）是构成数字图像的最小单位，可以理解为图像中的一个点。
特点：
- 每个像素具有颜色信息，通常由 RGB（红绿蓝） 或 YUV 组成。
- 像素数量越多，图像的细节越丰富。
- 在 灰度图像（黑白图像）中，每个像素只有一个亮度值（0-255）。
- 在 彩色图像 中，每个像素通常由多个通道表示（如 8 位 RGB：每个像素用 3 个字节表示）。

2. 分辨率（Resolution）

定义：分辨率表示图像的像素数量，通常以宽 × 高的形式表示（例如 1920×1080）。
影响：
- 分辨率越高，图像越清晰，但存储和处理的计算量也更大。
常见分辨率：
- 标清（SD）：720×480 (NTSC) 或 720×576 (PAL)
- 高清（HD）：1280×720 (720p)
- 全高清（FHD）：1920×1080 (1080p)
- 超高清（UHD/4K）：3840×2160
- 8K：7680×4320

3. 位深（Bit Depth）

定义：位深（Bit Depth）表示每个像素存储的颜色信息的位数。
分类：
- 1 位（黑白图像）：每个像素仅存储 0 或 1（黑或白）。
- 8 位（灰度图）：每个像素存储 0-255 的亮度值。
- 24 位（RGB）：8 位红 + 8 位绿 + 8 位蓝，共 16,777,216 种颜色。
- 32 位（RGB + Alpha）：在 RGB 基础上加 8 位 Alpha 通道（透明度）。
- HDR 图像 通常使用 10 位或 12 位，能显示更丰富的色彩和动态范围。

4. 帧率（Frame Rate, FPS）

定义：帧率（Frame Per Second, FPS）表示每秒播放的帧数，是视频流的重要参数。
影响：
- 帧率越高，运动画面越流畅。
- 低帧率（如 15FPS）可能导致画面卡顿。
常见帧率：
- 24 FPS：电影标准，较自然的运动感。
- 30 FPS：常见于电视和网络视频。
- 60 FPS：用于高帧率视频和游戏，画面更加流畅。
- 120 FPS 及以上：用于高刷新率显示器，VR 头显等。

5. 码率（Bitrate）

定义：码率表示单位时间内视频或音频数据的传输量，通常以 Kbps（千比特每秒） 或 Mbps（兆比特每秒） 计量。
计算：
- 码率 = 帧率 × 分辨率 × 位深度
影响：
- 码率越高，画质越好，但占用存储空间更大，带宽需求更高。
- 恒定码率（CBR, Constant Bitrate）：保持固定码率，适用于直播等对流畅度要求较高的场景。
- 可变码率（VBR, Variable Bitrate）：根据画面复杂度调整码率，提高压缩效率，适用于录制存储。

6. Stride（步长/行跨度）

定义：Stride（步长）指的是图像每行像素数据所占的字节数，包括可能存在的填充字节。
为什么需要 Stride？
- 有些系统要求每行的像素数据对齐到某个字节边界（如 4 字节、8 字节对齐）。
- 有时为了内存对齐，存储时会在每行像素数据后添加额外的填充字节，保证高效读取。
计算方式：
- 假设一个 1920×1080 的 24 位 RGB 图像：
  - 每个像素 3 字节（RGB）。
  - 理想情况下：1920 × 3 = 5760 字节（即一行像素数据）。
  - 若系统要求 4 字节对齐，则可能会填充到 5764 字节。

总结

概念	定义	影响	常见值
像素	图像的最小单位	决定图像细节
分辨率	图像的像素数量（宽 × 高）	越高图像越清晰	720p、1080p、4K
位深	每个像素存储的比特数	越高颜色越丰富	8 位、24 位、32 位
帧率	每秒显示的帧数	影响流畅度	24FPS、30FPS、60FPS
码率	每秒钟传输的数据量	影响画质和带宽需求	1Mbps、10Mbps
Stride	每行像素数据占用的字节数	影响存储布局和处理效率	可能存在额外填充

这些概念是图像与视频处理的基础，掌握它们有助于更深入理解图像渲染、视频编解码等技术。

在图像和视频处理中，RGB 和 YUV 是两种常见的颜色表示方式，它们各有优缺点，并在不同的场景下使用。下面我们详细讲解这两种色彩空间的概念、区别和应用场景。

1. RGB 色彩空间

概念

RGB（Red、Green、Blue）是一种基于**加色模型（Additive Color Model）**的色彩表示方式。

通过红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色的不同强度组合，可以表示几乎所有可见颜色。
适用于显示设备（如显示器、LED 屏幕等），因为这些设备通过发光来呈现颜色。

RGB 的表示方式

8-bit RGB（24-bit color）：
- 每个通道占 8 位（0-255），总计 24 位。
- 常见的存储格式：RGB888（每个像素 3 字节）。
RGBA（带透明通道）：
- RGB888 + Alpha（透明度），总共 32 位。
- 常见格式：RGBA8888（每个像素 4 字节）。

RGB 的特点

✅ 适用于显示设备，如显示器、手机屏幕等。
✅ 颜色直观，容易理解和调整。
❌ 数据量大，不适合视频压缩和存储。

2. YUV 色彩空间

概念

YUV 是一种基于亮度-色度（Luminance-Chrominance）的色彩模型，广泛用于视频压缩和传输。

Y（Luminance，亮度）：决定画面的明暗程度。
U、V（Chrominance，色度）：决定颜色信息。

这种分离方式使得人眼感知亮度比色度更敏感，视频编码可以减少色度数据，从而大大降低存储和带宽需求。

YUV 的表示方式

常见的 YUV 采样格式有：

YUV444：
- 每个像素都有完整的 Y、U、V 分量（无色度压缩）。
- 适用于高质量视频和图像处理，但数据量较大。
YUV422：
- 水平方向上每 2 个像素共用 1 组 UV 色度信息（减少 1/3 色度数据）。
- 适用于高清电视（HDTV）、视频流等。
YUV420：
- 每 4 个像素共用 1 组 UV（减少 50% 色度数据）。
- 是最常见的压缩格式（如 H.264、H.265）。
YUV411：
- 水平方向每 4 个像素共用 1 组 UV。
- 适用于低码率视频应用，如视频通话。

YUV 的特点

✅ 更适合视频压缩和传输（因为色度数据可以被压缩）。
✅ Y（亮度）信号可以单独处理，使其兼容黑白电视。
❌ 不直观，不能直接用于显示，需要转换为 RGB。

3. RGB vs. YUV 对比

特性	RGB	YUV
用途	适用于显示（显示器、手机屏幕等）	适用于视频压缩、存储、传输
存储效率	数据量大	更节省存储空间
易理解性	直观（直接对应颜色）	需要转换才能正确显示
颜色组成	R（红）、G（绿）、B（蓝）	Y（亮度）、U（色差）、V（色差）
压缩性	不能直接压缩	可以对色度分量采样，减少数据量

4. RGB 和 YUV 的转换

由于 RGB 适用于显示，而 YUV 适用于存储和传输，视频处理过程中经常需要RGB ↔ YUV 颜色空间转换。

RGB 转 YUV 公式

YUV 的标准转换（以 BT.601 颜色空间为例）：
[
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
]
[
U = 0.492 (B - Y) = (B - Y) \times 0.492
]
[
V = 0.877 (R - Y) = (R - Y) \times 0.877
]