音视频学习（三十八）：像素与位深
像素（Pixel）
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定义：图像的最小单元，是一个颜色点。
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图像分辨率 = 水平像素数 × 垂直像素数，例如：
1920×1080表示宽 1920、高 1080，总共约 207 万像素。
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每个像素可以包含：
- 灰度图：一个亮度值（Y）
- 彩色图：R、G、B（或 Y、Cb、Cr）
- 有透明度时：还包括 Alpha 通道（A）
位深（Bit Depth）
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定义：每个通道用于存储颜色值的位数。
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常见位深：
位深 每通道色彩等级 用途 8-bit 256 等级（2⁸） 最常见，视频压缩标准默认 10-bit 1024 等级（2¹⁰） HDR 视频、专业视频处理 12-bit 4096 等级（2¹²） 高动态范围、电影制作 16-bit 65536 等级（2¹⁶） 医学图像、科学计算等
示例：
- 8-bit RGB：每个像素使用 8 × 3 = 24 bits（即 3 字节）；
- 10-bit YUV420：Y 用 10 位，U/V 通道也用 10 位，但是按 4:2:0 采样，整体压缩更高。
像素格式（Pixel Format）
在 FFmpeg / 视频编码中，“像素格式” 表示图像的颜色空间 + 位深 + 采样方式。
| 像素格式 | 位深 | 色彩空间 | 采样方式 | 总体说明 |
|---|---|---|---|---|
yuv420p | 8-bit | YUV | 4:2:0 | 最常见，8-bit 标清/高清视频 |
yuv420p10le | 10-bit | YUV | 4:2:0 | H.265/ProRes 支持，HDR 视频 |
rgb24 | 8-bit | RGB | 无 | 每像素 3 字节，常用于图像处理 |
gray | 8-bit | 灰度 | 无 | 单通道，适用于黑白摄像头 |
yuv422p | 8-bit | YUV | 4:2:2 | 高清广播、部分相机使用 |
yuv444p10le | 10-bit | YUV | 4:4:4 | 无色度压缩，颜色最保真 |
“le” 表示 little endian（小端序），多见于 x86 平台。
像素与位深的存储空间关系
举例说明：
1920×1080 yuv420p 8bit：
- Y 分量：1920×1080 × 8bit = ~2.07 Mb
- U 分量：960×540 × 8bit = ~0.26 Mb
- V 分量：960×540 × 8bit = ~0.26 Mb
- 总体大小 ≈ 2.6 MB/帧
1920×1080 yuv420p10le：
- 每通道 10bit，用 16bit 对齐存储（占用 2 字节）
- 总大小 ≈ 2 倍 8-bit，约 5.2 MB/帧
影响
| 项目 | 影响 |
|---|---|
| 编码压缩效率 | 位深越高越难压缩，码率也更高 |
| 色彩精度 | 位深越高，颜色过渡越平滑，避免色带（banding） |
| HDR 支持 | 需要至少 10-bit 才能支持 HDR10、Dolby Vision 等 |
| GPU 加速解码 | GPU 对特定位深格式支持有限，如 10-bit 需要特定显卡 |
| 文件大小 | 位深越高，文件体积越大 |
YUV与RGB
对比
| 格式 | 颜色空间 | 采样结构 | 每像素通道数 | 每像素颜色值来源 |
|---|---|---|---|---|
| RGB | R, G, B | 每像素独立 R、G、B | 3 | 每像素完整色彩值 |
| YUV420 | Y, U, V | 4:2:0 色度子采样 | 1（Y）+ 0.25（U）+ 0.25（V） | 平均每像素有 1.5 通道值 |
计算方法
RGB24（8-bit RGB，每通道8bit）
每像素：
8bit(R) + 8bit(G) + 8bit(B) = 24 bits = 3 bytes
YUV420P（4:2:0 采样）
每 2×2 像素共用 1 个 U + 1 个 V，Y 每像素都有：
| 分量 | 分辨率 | 占比 |
|---|---|---|
| Y | W × H | 100% |
| U | W/2 × H/2 | 25% |
| V | W/2 × H/2 | 25% |
合计：
Y: 1 byte × W × H
U: 0.25 byte × W × H
V: 0.25 byte × W × H
总计 ≈ 1.5 byte × W × H
不同位深时存储量对比（以 1920×1080 为例）
| 格式 | 位深 | 每像素大小 | 总帧大小 ≈ |
|---|---|---|---|
| RGB24 | 8 | 3 bytes | 1920×1080×3 = ~5.93 MB |
| RGB30 | 10 | 4 bytes（对齐） | 1920×1080×4 = ~7.91 MB |
| YUV420P | 8 | 1.5 bytes | 1920×1080×1.5 = ~2.96 MB |
| YUV420P10 | 10 | 2 bytes（对齐） × 1.5 = 3 bytes | 1920×1080×3 = ~5.93 MB |
🔸 注意：10-bit 视频通常使用 16-bit 对齐（即每通道 2 字节）存储。
转换影响
从 RGB ➜ YUV420：
- 颜色有损失，特别是高频色彩细节；
- 视频压缩比更高，适合编码；
- 通常用于图像转码、摄像头采集。
从 YUV420 ➜ RGB：
- 还原近似颜色；
- 解码时自动完成重建，但不能完全恢复原始 RGB 细节。
总结
| 属性 | 像素（Pixel） | 位深（Bit Depth） |
|---|---|---|
| 含义 | 图像的最小单元 | 每个颜色通道的位数 |
| 单位 | 个 | bit（比特） |
| 控制什么 | 图像/视频尺寸 | 每像素能表示的颜色精度 |
| 示例 | 1920×1080 | 8-bit、10-bit、12-bit |
| 相关术语 | 分辨率、采样率、像素格式 | 色彩深度、HDR、采样位宽 |