2、YUV色彩空间基础：YUV与RGB的数学关系、YUV420/YUV422/YUV444采样格式详解、色度子采样原理

2.1 YUV色彩空间概述

YUV（亦称YCbCr）是一种将亮度（Luma）与色度（Chroma）分离的色彩编码体系。在视频压缩与传输领域，YUV占据主导地位，其核心优势在于：人眼对亮度变化敏感，对色度变化相对迟钝。利用这一视觉特性，YUV允许对色度分量进行降采样，从而在不显著降低主观画质的前提下，大幅压缩数据带宽。

在V4L2驱动开发中，理解YUV是进行格式协商、裁剪、格式转换与性能优化的前提。YUV与RGB的转换精度直接影响图像质量，而采样格式决定了内存布局与DMA搬运效率。

2.2 YUV与RGB的数学关系

YUV与RGB之间的转换遵循线性矩阵变换。以下给出最常用的BT.601标准（标清视频）下的8位量化转换公式。所有分量取值范围为[0, 255]。

2.2.1 RGB → YUV（正向转换）

Y  =  0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
Cb = -0.169 * R - 0.331 * G + 0.500 * B + 128
Cr =  0.500 * R - 0.419 * G - 0.081 * B + 128

2.2.2 YUV → RGB（逆向转换）

R = Y + 1.402 * (Cr − 128)
G = Y − 0.344 * (Cb − 128) − 0.714 * (Cr − 128)
B = Y + 1.772 * (Cb − 128)

2.2.3 不同标准对比

V4L2驱动中，V4L2_PIX_FMT_YUYV 等格式默认遵循BT.601标准。若摄像头传感器输出BT.709数据，驱动需在格式转换时切换系数矩阵。

2.3 色度子采样原理

色度子采样（Chroma Subsampling）是YUV体系的核心压缩手段。其原理是：对亮度分量Y保留全分辨率，对色度分量Cb/Cr进行水平或垂直方向的降采样。采样格式用“J:a:b”表示法描述，其中J表示亮度采样参考宽度（通常为4），a表示第一行色度采样数，b表示第二行色度采样数。

2.3.1 三种主流采样格式

2.4 YUV420/YUV422/YUV444 内存布局详解

在V4L2驱动中，理解内存布局是正确配置v4l2_format、v4l2_plane以及实现裁剪/缩放的关键。不同采样格式对应不同的像素存储顺序与对齐要求。

2.4.1 YUV444 平面布局

YUV444通常以打包（Packed）或平面（Planar）形式存储。平面布局下，三个独立平面分别存放Y、Cb、Cr数据，每个像素对应一个Y、一个Cb、一个Cr。分辨率W×H时，总数据量为 W × H × 3 字节。

2.4.2 YUV422 打包布局（YUYV格式）

YUYV是V4L2中最常见的YUV422打包格式。内存中按 [Y0, U0, Y1, V0] 的4字节宏像素排列，每2个像素共享一对Cb/Cr。行跨度（Stride）必须为2的倍数。

// YUYV 内存布局示例（4像素）
// 像素0: Y0, U0
// 像素1: Y1, V0
// 像素2: Y2, U1
// 像素3: Y3, V1
// 内存: [Y0][U0][Y1][V0] [Y2][U1][Y3][V1]

2.4.3 YUV420 平面布局（NV12格式）

NV12是V4L2驱动中最常用的YUV420半平面格式。Y平面大小为 W × H 字节，CbCr交错平面大小为 W × H / 2 字节。总数据量为 W × H × 1.5 字节。

// NV12 内存布局（4×4图像）
// Y平面: [Y00 Y01 Y02 Y03]  [Y10 Y11 Y12 Y13]
//        [Y20 Y21 Y22 Y23]  [Y30 Y31 Y32 Y33]
// UV平面: [U00 V00 U01 V01]  [U10 V10 U11 V11]
//         (UV平面宽度 = W, 高度 = H/2)

2.5 采样格式选择对性能的影响

2.6 本章小结

• YUV核心优势：亮度与色度分离，支持色度子采样，人眼视觉特性适配。
• 转换公式：BT.601/BT.709/BT.2020标准，驱动中需使用整数定点运算避免浮点开销。
• 采样格式：YUV444（无损）、YUV422（水平降采样）、YUV420（水平+垂直降采样）。
• 内存布局：YUYV打包格式与NV12半平面格式是V4L2驱动中最常见的两种布局。
• 对齐约束：YUV420裁剪需2像素对齐，YUV422需水平2像素对齐，违反对齐是驱动bug的常见来源。