YUV 格式深度解析：採樣制、存儲佈局與 420/422 互轉算法

YUV 基礎概念

• Y：亮度（Luma），決定圖像明暗，單獨 Y 即為灰度圖。
• U/V (Cb/Cr)：色度，描述顏色飽和度與色相。
• 優勢：亮色分離兼容黑白電視，頻寬需求遠低於 RGB 同步傳輸。

採樣制與數據量關係

存儲格式分類

Planar（平面模式）

三分量分開連續存放：所有 Y → 所有 U → 所有 V。

• I420 (YUV420P)：Y → U → V
• YV12：Y → V → U（U/V 順序互換）

Packed（打包/交錯模式）

像素級交錯存放。

• YUYV / YVYU / UYVY / VYUY：YUV422 打包，兩像素共用 UV，順序不同。

Semi-Planar（兩平面模式）

Y 獨立一平面，UV 交錯打包第二平面。

• NV12：Y → UV 交錯（U 在前）
• NV21：Y → VU 交錯（V 在前）

YUV420 內存佈局計算（以 720×480 為例）

總大小 = W × H × 1.5 字節
Y 平面：W × H           = 720 × 480     字節
U 平面：W × H / 4       = 720 × 480 / 4 字節
V 平面：W × H / 4       = 720 × 480 / 4 字節
存儲順序：Y 連續 → U 連續 → V 連續（I420）或 Y → V → U（YV12）

422 ↔ 420 簡易轉換

• 422 → 420：Y 不變，UV 在垂直方向隔行抽樣（丟棄奇數行或偶數行 UV）。
• 420 → 422：Y 不變，每行 UV 複製一份形成連續兩行相同 UV。

YUV420SP (NV12) 90° 旋轉算法參考

public static void rotateYUV240SP(byte[] src, byte[] des, int width, int height) {
    int wh = width * height;
    // 旋轉 Y 平面
    int k = 0;
    for (int i = 0; i < width; i++) {
        for (int j = 0; j < height; j++) {
            des[k++] = src[width * j + i];
        }
    }
    // 旋轉 UV 平面 (交錯存儲)
    for (int i = 0; i < width; i += 2) {
        for (int j = 0; j < height / 2; j++) {
            des[k++] = src[wh + width * j + i];     // U
            des[k++] = src[wh + width * j + i + 1]; // V
        }
    }
}

常見格式對照表

工程落地提示

• 確認攝像頭/解碼器輸出格式（v4l2-ctl --list-formats-ext），避免格式不匹配導致色彩異常。
• NV12/NV21 常用於 Android MediaCodec、GPU 紋理上傳，轉換時注意 UV 交錯順序。
• I420/YV12 是 x264/FFmpeg 內部標準格式，推薦作為統一中間格式。