RGB与YUV颜色空间多标准双向转换系统

资 源 简 介

本项目专门设计用于实现RGB（红绿蓝）与YUV（亮度与色度）颜色空间之间的高质量相互转换。在数字视频处理领域，RGB主要用于图形显示，而YUV由于其亮度与色度分离的特性，在数据压缩和带宽节省方面具有显著优势。 本系统实现了包括ITU-R BT.601（标准定义电视）、ITU-R BT.709（高清电视）以及针对超高清视频的BT.2020在内的多种主流标准转换系数。 实现过程中，系统不仅执行基本的线性算术矩阵运算，还包含了对Full Range（0-255）与Limited Range（16-235/240

详 情 说 明

基于MATLAB的高保真RGB与YUV颜色空间双向转换系统

项目介绍

本项目是一款专为数字视频处理设计的高精度颜色空间转换工具。它实现了从RGB到YUV及其逆向转换的完整流程，严格遵循国际电信联盟（ITU）发布的多种广播电视标准。系统核心价值在于精确处理了视频工程中极易被忽略的动态范围缩放（Full/Limited Range）以及色度子采样（Chroma Subsampling）引起的信号损耗，为视频压缩、图像增强及多媒体教学提供可靠的算法基础。

功能特性

• 多标准支持：完整覆盖 ITU-R BT.601（标清）、BT.709（高清）及 BT.2020（超高清）转换系数。
• 高精度范围映射：支持全量程（0-255）与受限量程（16-235/240）之间的精确计算。
• 灵活的采样模式：集成 4:4:4（无损）、4:2:2（水平减采样）和 4:2:0（水平及垂直减采样）处理。
• 高质量重构算法：采用均值滤波抗混叠降采样与双线性插值上采样，最大限度恢复色度细节。
• 全方位评价体系：实时计算平均绝对误差（MAE）、峰值信噪比（PSNR）并提供残差图评估转换保真度。

使用方法

1. 参数配置：在代码顶部的配置结构体中，通过修改字符串参数选择标准的转换参数。例如，设置标准为 'BT.709'，范围为 'Limited'。
2. 输入图像：系统默认加载内置测试图。若需处理自定义图像，可通过修改读取路径实现。
3. 执行转换：运行脚本后，系统将自动依次执行 RGB转YUV、色彩降采样、重构上采样、YUV转回RGB 的全过程。
4. 结果查看：程序运行结束后，将弹出包含原始图、转换残差、重构图及 Y/U/V 分量的可视化窗口，并在终端输出量化评估数据。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）。

核心实现逻辑与功能分析

#### 1. 转换标准与系数获取 系统内置了不同视频标准的亮度系数查询机制。通过指定标准名称，获取对应的红色权重系数（Kr）和蓝色权重系数（Kb）。这些系数基于人眼对不同波长光线敏感度的科学定义，是计算亮度和色度分量的基础。

#### 2. 基准矩阵运算 转换过程遵循线性加权原理：

• RGB导出YUV：首先根据系数计算亮度（Y），再根据亮度与红/蓝分量的差值计算两个色度（U, V）。
• 逆向还原：通过亮度和色度分量的线性组合，配合标准定义的互补关系，精确重构出 R、G、B 通道数值。

#### 3. 动态范围映射（Range Mapping） 针对广播视频中常用的 Limited Range，系统实施了非线性偏移和缩放处理：

• 亮度通道：将 [0, 1] 映射至 [16/255, 235/255]。
• 色度通道：将信号缩放并平移至 128 为中心点的受限区间 [16/255, 240/255]。

该步骤确保了生成的信号符合主流编码规范，避免了黑电平溢出。

#### 4. 色度子采样与抗混叠技术 为了模拟真实的视频压缩环境，系统实现了色度信息在空间维度的压缩：

• 抗混叠滤波：在进行 4:2:2 或 4:2:0 降采样前，利用 [0.5, 0.5] 或 2x2 的均值卷积核进行预处理，防止信号直接抽取导致的走样。
• 数据均衡：依据采样比例，有选择地丢弃部分像素位置的色度值，模拟带宽节省过程。

#### 5. 图像重构与插值算法 重构阶段采用双线性插值（Linear Interpolation）技术。该算法根据采样后的残余点位坐标，通过二维空间加权运算填补缺失的色度像素。相较于简单的像素拷贝，该方法能显著减少色度块效应，使图像边缘更加平滑。

#### 6. 误差分析与可视化评估 系统通过以下手段验证转换的高保真度：

• 残差分析：计算原始图像与重构图像的绝对差值，并进行10倍增强显示，以便观察转换过程中的微小失真。
• PSNR计算：基于均方误差计算峰值信噪比，量化信号还原质量。
• 多维度展示：通过六联图对比显示 YUV 分解结果与重构后的合成效果，提供直观的视觉参考。