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威創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)有效解決了圖像質(zhì)量與圖像傳輸帶寬這一對(duì)技術(shù)矛盾，兼顧了控制室大屏圖像顯示能好能快的需求。

本期將會(huì)給大家介紹YUV相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)也介紹威創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)的卓越色彩處理技術(shù)。

本期導(dǎo)讀：

1. 什么是YUV色彩空間

2. YUV采樣格式

3. YUV不同采樣格式對(duì)圖像畫(huà)質(zhì)的影響分析

4. 威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)的雙流/雙引擎壓縮技術(shù)

威創(chuàng)視訊學(xué)院

網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)科普專(zhuān)欄之四

01

什么是YUV色彩空間？

YUV是視頻、圖片、相機(jī)等應(yīng)用中常常使用的一類(lèi)圖像格式，是所有“YUV”像素格式共有的顏色空間的名稱(chēng)。與RGB格式（紅-綠-藍(lán)）不同，YUV格式用一個(gè)稱(chēng)為Y（相當(dāng)于灰度）的“亮度”分量和兩個(gè)“色度”分量表示，分別稱(chēng)為U（藍(lán)色投影）和V（紅色投影）。對(duì)于同一個(gè)觀測(cè)像素點(diǎn)，在RGB空間和YUV空間可進(jìn)行了不同角度的表示，兩者滿(mǎn)足單射線性變換，兩者可以通過(guò)線性變換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

圖1 RGB空間與YUV空間

YUV也可以稱(chēng)為YCbCr，雖然這些術(shù)語(yǔ)定義略有不同，但它們往往會(huì)混淆并可互換使用。

Y表示亮度分量：如果只顯示Y的話，圖像看起來(lái)會(huì)是一張黑白照。

U（Cb）表示色度分量：B－Y，圖像藍(lán)色部分去掉亮度,反映了RGB輸入信號(hào)藍(lán)色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。

V（Cr）表示色度分量：R－Y，圖像紅色部分去掉亮度,反映了RGB輸入信號(hào)紅色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。

02

YUV采樣格式

從前述定義中，可以了解YUV空間描述RGB空間的像素顏色按“亮度”分量和兩個(gè)“色度”分量進(jìn)行了表示。這種編碼表示也更加適應(yīng)于人眼，據(jù)研究表明，人眼對(duì)亮度信息比色彩信息更加敏感。而YUV下采樣就是根據(jù)人眼的特點(diǎn)，將人眼相對(duì)不敏感的色彩信息進(jìn)行壓縮采樣，得到相對(duì)小的文件進(jìn)行播放和傳輸。

1）YUV444

色度信號(hào)分辨率最高的格式是YUV4:4:4，每4點(diǎn)Y采樣，就有相對(duì)應(yīng)的4點(diǎn)U和4點(diǎn)V。換句話說(shuō)，每個(gè)Y值對(duì)應(yīng)一個(gè)U和一個(gè)V值。在這種格式中，色度信號(hào)的分辨率和亮度信號(hào)的分辨率是相同的。這種格式主要應(yīng)用在視頻處理設(shè)備內(nèi)部，避免畫(huà)面質(zhì)量在處理過(guò)程中降低。

圖2 YUV444采樣格式

2）YUV422

色度信號(hào)分辨率格式Y(jié)UV4:2:2，每4點(diǎn)Y采樣，就有相對(duì)應(yīng)的2點(diǎn)U和2點(diǎn)V。可以看到在水平方向上的色度表示進(jìn)行了2倍下采樣，因此YUV422色度信號(hào)分辨率是亮度信號(hào)分辨率的一半。

圖3 YUV422采樣格式

一種簡(jiǎn)單的YUV422區(qū)分方法：如圖3所示，4個(gè)Y值，第1行獲得2組UV色度值（其中像素1、2合并為1組UV值表示，3、4合并為1組），第2行獲得2組UV色度值（其中像素5、6合并為1組，7、8合并為1組）。

3）YUV420

色度信號(hào)分辨率格式Y(jié)UV4:2:0，每4點(diǎn)Y采樣，就有相對(duì)應(yīng)的1點(diǎn)U和1點(diǎn)V。YUV420色度信號(hào)分辨率是亮度信號(hào)分辨率的1/4。

圖4 YUV420采樣格式

一種簡(jiǎn)單的YUV420區(qū)分方法：如圖4所示，4個(gè)Y值，第1行獲得2組UV色度值（其中1、2合并為1組，3、4合并為1組），第2行獲得0組UV色度值（5-8像素的色度值全丟棄）。即在水平方向壓縮的基礎(chǔ)上，再在垂直方向上再進(jìn)行了壓縮。

03

YUV不同采樣格式對(duì)圖像畫(huà)質(zhì)的影響

根據(jù)前述的YUV采樣格式分析，這里我們分析一下對(duì)圖像畫(huà)質(zhì)的影響。我們將一個(gè)原始圖像為8*8像素的紅藍(lán)相間的圖案，分別按YUV444、YUV422、YUV420不同的采用格式采樣，然后再還原輸出。

圖5(a)：我們可以看到Y(jié)UV444的色度信號(hào)的分辨率和亮度信號(hào)的分辨率無(wú)損失，我們獲得了與原始圖案一致的還原畫(huà)面圖案。

圖5(b)：YUV422獲得還原圖案在水平方向上，已經(jīng)出現(xiàn)了丟失，從綠色所框選的像素來(lái)看，YUV422在水平方向上丟失了另一個(gè)像素點(diǎn)的色彩值，故在畫(huà)面還原時(shí)僅是對(duì)前一個(gè)像素值簡(jiǎn)單的復(fù)制重構(gòu)。

圖5(c)：YUV420獲得還原圖案在水平方向以及垂直方向上，均出現(xiàn)了丟失，獲得的還原圖像與原始圖像出現(xiàn)很大的失真。

圖5 YUV不同采樣格式對(duì)圖像畫(huà)質(zhì)

由圖5所示的直觀觀測(cè)，對(duì)圖像高頻細(xì)節(jié)的圖像表達(dá)上，YUV444優(yōu)于YUV422，YUV422優(yōu)于YUV420。

在信號(hào)傳輸帶寬的節(jié)省上，YUV420效率優(yōu)于YUV444，YUV422優(yōu)于YUV444。因此在普通的視頻編解碼算法上，為節(jié)省傳輸帶寬開(kāi)銷(xiāo)，普遍采用YUV420或者YUV422的采樣格式。

04

eCon網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)的雙流/雙引擎壓縮技術(shù)

圖像質(zhì)量與圖像傳輸帶寬是一對(duì)技術(shù)矛盾體：高圖像質(zhì)量往往需要高傳輸帶寬，我們無(wú)法既獲得無(wú)損高質(zhì)量圖像的同時(shí)又獲得低傳輸帶寬。

針對(duì)前述技術(shù)矛盾，威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)的坐席發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用雙流/雙壓縮編碼引擎技術(shù)：針對(duì)坐席交互操作計(jì)算機(jī)畫(huà)面采用最新一代淺壓縮編碼引擎，適合于高畫(huà)質(zhì)及低時(shí)延的超低時(shí)延要求；針對(duì)信號(hào)窗口預(yù)監(jiān)、回顯畫(huà)面采用H26X壓縮編碼引擎，適合于高壓縮率的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景要求。威創(chuàng)所采用的雙流/雙壓縮編碼引擎技術(shù)產(chǎn)品使得在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上適合于核心業(yè)務(wù)的高畫(huà)質(zhì)低時(shí)延需求，又滿(mǎn)足了海量視頻信號(hào)預(yù)監(jiān)回顯的需要。其主要特色優(yōu)勢(shì)如下：

◆整體性能低至毫秒級(jí)（低于17毫秒）的編碼時(shí)延，最低可達(dá)行級(jí)視頻線延時(shí)；

◆最大響應(yīng)能力，可獲得超低時(shí)延響應(yīng)，非常適合任何延遲關(guān)鍵型應(yīng)用場(chǎng)景；

◆基于恒定比特率，實(shí)現(xiàn)可靠的IP視頻傳輸。
     雙流/雙壓縮編碼引擎方案，既兼顧了應(yīng)用中對(duì)核心業(yè)務(wù)高畫(huà)質(zhì)低時(shí)延的應(yīng)用需求，同時(shí)又可滿(mǎn)足高壓縮率的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。相對(duì)于傳統(tǒng)的單流解決方案，雙流/雙壓縮編碼引擎方案可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可獲得最高的系統(tǒng)性能。

淺壓縮引擎

H26X引擎

時(shí)延

超低時(shí)延，行級(jí)延遲，最低編解碼延遲可做到幾行（整體時(shí)延性能低于17毫秒）。

 一般100ms左右。

畫(huà)質(zhì)

高畫(huà)質(zhì)：YUV444,YUV422，適合計(jì)算機(jī)圖像顯示內(nèi)容。

YUV420圖像格式，可以滿(mǎn)足多路畫(huà)面預(yù)監(jiān)或者視頻圖像等場(chǎng)景需求。

處理并行度

高并行度，適合并行計(jì)算。

并行處理相對(duì)不高。

壓縮率

壓縮率相對(duì)較低，碼率大。

壓縮率比較高，碼率低。

應(yīng)用場(chǎng)景

適用于超高清實(shí)時(shí)采集，高質(zhì)量淺壓縮場(chǎng)景，適用IP化低延遲傳輸。

適用于高壓縮率的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，以滿(mǎn)足海量視頻信號(hào)預(yù)監(jiān)回顯的需要。

威創(chuàng)eCon網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)的雙流/雙引擎壓縮技術(shù)方案對(duì)高頻細(xì)節(jié)的提供卓越的表現(xiàn)能力，見(jiàn)圖6(a)所示。H26X技術(shù)YUV420方案提供的畫(huà)面在高頻細(xì)節(jié)上出現(xiàn)了模糊，從圖6(b)中可見(jiàn)藍(lán)色紅色與黑色出現(xiàn)了粘連，文字畫(huà)面也出現(xiàn)了邊緣模糊。

（b）H26X技術(shù):YUV420

eCon系統(tǒng)雙流/雙引擎技術(shù) vs  H26X技術(shù)