【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

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

• 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）。

• 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）

• 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。

• 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：
  

• 访问方式（C 代码）

  uint8_t *y_plane = frame;          // Y 分量起始地址