【Android】直播必備之YUV使用總結 —— Android常用的幾種格式：NV21/NV12/YV12/YUV420P的區別

說明

　　因工作方面接觸到圖像處理這一塊，需要對手機攝像頭采集的原始幀做Rotate或者Scale，但無奈對此的了解少之又少，於是網上搜了一頓，完事后將最近所學總結一下，以方便之后的人別踩太多坑。

　　首先想要了解YUV為何物: https://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa904813　　

　　上面的鏈接中微軟已經寫的很詳細了，國內大部分文章都是翻譯這篇文章的，如果還有疑問的同學可以參考下面這些大神的博客：

• 最簡單的基於FFmpeg的libswscale的示例（YUV轉RGB）
• 圖文詳解YUV420數據格式
• ANDROID 高性能圖形處理
• Android攝像頭開發：實時攝像頭視頻預覽幀的編碼問題（二）

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　　看完上面的文章應該都會有所了解和認識了，因為在Android SDK <= 20（Android5.0）中Google支持的Camera Preview Callback的YUV常用格式有兩種：NV21 / YV12，在此針對這兩種格式做分析。

NV21：

引用一段微軟的敘述：

4:2:0 Formats, 12 Bits per Pixel

Four 4:2:0 12-bpp formats are recommended, with the following FOURCC codes:

• IMC2
• IMC4
• YV12
• NV12
  In all of these formats, the chroma channels are subsampled by a factor of two in both the horizontal and vertical dimensions.

YV12

All of the Y samples appear first in memory as an array of unsigned char values. This array is followed immediately by all of the V (Cr) samples. The stride of the V plane is half the stride of the Y plane, and the V plane contains half as many lines as the Y plane. The V plane is followed immediately by all of the U (Cb) samples, with the same stride and number of lines as the V plane (Figure 12).
Figure 12:

NV12

All of the Y samples are found first in memory as an array of unsigned char values with an even number of lines. The Y plane is followed immediately by an array of unsigned char values that contains packed U (Cb) and V (Cr) samples, as shown in Figure 13. When the combined U-V array is addressed as an array of little-endian WORD values, the LSBs contain the U values, and the MSBs contain the V values. NV12 is the preferred 4:2:0 pixel format for DirectX VA. It is expected to be an intermediate-term requirement for DirectX VA accelerators supporting 4:2:0 video.
Figure 13:

　　從上可知YV12和NV12所占內存是12bits/Pixel，因為每個Y就是一個像素點，注意着色加粗的敘述，YUV值在內存中是按照數組的形式存放的，而由於YV12和NV21都是屬於planar格式，也就是Y值和UV值是獨立采樣的：

In a planar format, the Y, U, and V components are stored as three separate planes.

　　既然Y、U、V值都是獨立的，那就意味着我們可以分別處理相應的值，比如在YV12中，排列方式是這樣的，每4個Y共用一對UV值，而U、V值又是按照如下格式排列
下面是YV12格式中寬為16，高為4像素的排列

Y第一行:	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y
Y第二行：	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y
Y第三行：	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y
Y第四行：	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y	Y　　Y
V第一行：	V0	V1	V2	V3
U第一行：	U0	U1	U2	U3
V第二行：	V4	V5	V6	V7
U第二行：	U4	U5	U6	U7

　　既然知道了YUV值的結構，我們就可以任性的對此圖像做Rotate，scale等等。這里我以480ｘ270 （16:9)的一張原始幀圖像舉例，貼出部分代碼示例：
任意設定的一個帶有onPreviewFrame的類，CameraPreviewFrame.java:

/**
 * 獲取preview的原始幀：
 * 
 * 這里有個前提，因為Android camera preview默認格式為NV21的，所以需要
 * 調用setPreviewFormat()方法設置為我們需要的格式
 * 
 */

@Override
public void onPreviewFrame(byte[] data, Camera camera) {// 假設這里的data為480x270原始幀

        String SRC_FRAME_WIDTH = 480;
        String SRC_FRAME_HEIGHT = 270;
        
        String DES_FRAME_WIDTH = 480;
        String DES_FRAME_HEIGHT = 270;
        // 此處將data數組保存在了指定的路徑，保存類型為jpeg格式，但是普通的圖片瀏
        // 覽器是無法打開的，需要使用RawView等專業的工具打開。
        saveImageData(data);

        // 定義與原始幀大小一樣的outputData，因為YUV420所占內存是12Bits/Pixel，
         // 每個Y為一個像素8bit＝1Byte，U＝2bit＝1/4(Byte)，V＝2bit=1/4(Byte)，
         // Y值數量為480*270，則U=V＝480*270*(1/4)
        byte[] outputData = new byte[DES_FRAME_WIDTH * DES_FRAME_HEIGHT * 3 / 2]; 
        // call the JNI method to rotate frame data clockwise 90 degrees
        YuvUtil.DealYV12(data, outputData, SRC_FRAME_WIDTH, SRC_FRAME_HEIGHT, 90);
        saveImageData(outputData);

    }
}

    // save image to sdcard path: Pictures/MyTestImage/
public void saveImageData(byte[] imageData) {
        File imageFile = getOutputMediaFile(MEDIA_TYPE_IMAGE);
        if (imageFile == null) {
            return;
        }

        try {
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream(imageFile);
            fos.write(imageData);
            fos.close();

        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
            Log.e(TAG, "File not found: " + e.getMessage());

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            Log.e(TAG, "Error accessing file: " + e.getMessage());
        }
    }

public static File getOutputMediaFile(int type) {
        File imageFileDir = new File(Environment.getExternalStoragePublicDirectory(Environment.DIRECTORY_PICTURES), "MyTestImage");

        if (!imageFileDir.exists()) {
            if (!imageFileDir.mkdirs()) {
                Log.e(TAG, "can't makedir for imagefile");
                return null;
            }
        }
        // Create a media file name
        String timeStamp = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd_HHmmss").format(new Date());
        File imageFile;
        if (type == MEDIA_TYPE_IMAGE) {
            imageFile = new File(imageFileDir.getPath() + File.separator +
                    "IMG_" + timeStamp + ".jpg");
        } else if (type == MEDIA_TYPE_VIDEO) {
            imageFile = new File(imageFileDir.getPath() + File.separator +
                    "VID_" + timeStamp + ".mp4");
        } else {
            return null;
        }
        return imageFile;
}

上面的代碼中可以看到調用了JNI的方法：YuvUtil.RotateYV12()

public class YuvUtil {
    // 初始化，為data分配相應大小的內存
    public static native void initYV12(int length, int scale_length);

    public static native void DealYV12(byte[] src_data, byte[] dst_data, int width, int height, int rotation);
}

com_example_jni_YuvUtil.h

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class _Included_com_example_jni_YuvUtil */

#ifndef _Included_com_example_jni_YuvUtil
#define _Included_com_example_jni_YuvUtil
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_example_jni_YuvUtil
 * Method:    initYV12
 * Signature: (II)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_jni_YuvUtil_initYV12
  (JNIEnv *, jclass, jint, jint);

/*
 * Class:     com_example_jni_YuvUtil
 * Method:    DealYV12
 * Signature: ([B[BIIIII)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_jni_YuvUtil_DealYV12
  (JNIEnv *, jclass, jbyteArray, jbyteArray, jint, jint, jint, jint, jint);


#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

com_example_jni_YuvUtil.c

#include "com_example_jni_YuvUtil.h"
#include <android/log.h>
#include <string.h>
#include <jni.h>
#include <stdlib.h>

#define TAG "jni-log-jni" // 這個是自定義的LOG的標識
#define LOGD(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG,TAG ,__VA_ARGS__) // 定義LOGD類型
#define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,TAG ,__VA_ARGS__) // 定義LOGI類型
#define LOGW(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN,TAG ,__VA_ARGS__) // 定義LOGW類型
#define LOGE(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR,TAG ,__VA_ARGS__) // 定義LOGE類型
#define LOGF(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_FATAL,TAG ,__VA_ARGS__) // 定義LOGF類型

char *input_src_data, *output_src_data, *src_y_data,
     *src_u_data, *src_v_data, *dst_y_data, *dst_v_data;
int src_data_width, src_data_height, len_src;

/*
 * Class:     com_example_jni_YuvUtil
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_jni_YuvUtil_initYV12
(JNIEnv *env, jclass jcls, jint length, jint scaleDataLength) {
len_src = length;
len_scale = scaleDataLength;
LOGD("########## len_src  = %d, len_scale = %d \n", len_src, len_scale);

input_src_data = malloc(sizeof(char) * len_src);
LOGD("########## input_src_data  = %d \n", input_src_data);

src_y_data = malloc(sizeof(char) * (len_src * 2 / 3));
src_u_data = malloc(sizeof(char) * (len_src / 6));
src_v_data = malloc(sizeof(char) * (len_src / 6));

dst_y_data = malloc(sizeof(char) * (len_src * 2 / 3));
dst_u_data = malloc(sizeof(char) * (len_src / 6));
dst_v_data = malloc(sizeof(char) * (len_src / 6));

}

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_jni_YuvUtil_DealYV12
(JNIEnv *env, jclass jcls, jbyteArray src_data,
    jbyteArray dst_data, jint width, jint height, jint rotation, jint dst_width, jint dst_height) {
src_data_width = width;
src_data_height = height;

// 將src_data的數據傳給input_src_data
(*env)->GetByteArrayRegion (env, src_data, 0, len_src, (jbyte*)(input_src_data));

/*以下三個memcpy分別將Y、U、V值從src_data中提取出來,將YUV值分別scale或者rotate，則可得到對應格式的圖像數據*/
// get y plane
memcpy(src_y_data, input_src_data , (len_src * 2 /3));
// get u plane
memcpy(src_u_data, input_src_data + (len_src * 2 / 3), len_src / 6);
// get v plane
memcpy(src_v_data, input_src_data + (len_src * 5 / 6 ), len_src / 6);
/*獲取yuv三個值的數據可以做相應操作*/
// ......... 
// .........


// 例：將Y值置為0，則得到沒有灰度的圖像；
memset(input_src_data + src_data_width * src_data_height, 0, src_data_width * src_data_height);

// 將input_src_data的數據返回給dst_data輸出
// output to the dst_data
(*env)->SetByteArrayRegion (env, dst_data, 0, len_src, (jbyte*)(input_src_data));

}

/**
 * free memory
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_jni_YuvUtil_ReleaseYV12
(JNIEnv *env , jclass jcls) {
free(output_src_data);
free(input_src_data);
}

** 注意：以上代碼不是完全的，只是用於說明而已，如果需要更多的操作還請各位朋友自己完善，如有表述的不清楚和有問題的地方，大家可以給我留言。**