RGB和BMP文件与YUV文件的转换

2024-04-17 17:32
文章标签 转换 rgb yuv bmp

本文主要是介绍RGB和BMP文件与YUV文件的转换，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

目录

一、RGB文件转YUV文件

1.理论部分

2.代码部分

main函数

rgb2yuv.cpp

rgb2yuv.h

运行结果

二、BMP文件转YUV文件

1.理论部分

BMP文件的简要介绍

BMP文件的组成结构

BMP转YUV文件实现过程

2.代码部分

运行结果

一、RGB文件转YUV文件

1.理论部分

Y = 0.2990 R + 0.5870 G + 0.1140 B

R-Y = 0.7010 R - 0.5870 G - 0.1140 B

B-Y = - 0.2990 R - 0.5870 G + 0.8860 B

为了使色差信号的动态范围控制在-0.5~0.5之间，所以需要归一化，对色差信号引入压缩系数：

U = - 0.1684 R - 0.3316 G + 0.5 B + 128

V = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B + 128

对亮度信号和色度信号进行8比特均匀量化时，需考虑码电平分配的问题。对亮度信号，共分为256个等间隔量化级，其中0~15级和236~255级为信号保护带，16~235级为使用的亮度电平；对色差信号，归一化后动态范围为-0.5~0.5,256个等间隔量化级中，128级对应色差零电平，16~240级为色差信号电平，0~15级和241~255级为保护带。

将RGB信号转换为4:2:0格式的YUV文件时，色差信号U、V的取样频率为亮度信号取样频率的1/4，在垂直和水平方向的取样点数为亮度信号Y的一半。因此需要根据公式计算得到一帧Y、U、V的数据后，要对色差信号进行下采样（即相邻正方形四个值取平均）。

2.代码部分

在代码实现时，需要使用指针。RGB文件的存储格式是BGRBGRBGR…，一个像素包含三个表示颜色的数据。4:2:0格式的YUV文件每帧分块排列。

带入公式计算时，需使用查找表函数。

在C++实现RGB文件和YUV文件的转换时，需三部分代码：主函数main.cpp、功能调用函数rgb2yuv.cpp和头文件rgb2yuv.h。

main函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include "rgb2yuv.h"
using namespace std;#define u_int8_t	unsigned __int8
#define u_int		unsigned __int32
#define u_int32_t	unsigned __int32int main(int argc, char** argv)
{u_int Width = 256;	u_int Height = 256;bool flip = true;u_int8_t* rgbBuf = NULL;u_int8_t* yBuf = NULL;u_int8_t* uBuf = NULL;u_int8_t* vBuf = NULL;u_int videoFramesWritten = 0;FILE* rgbFile = fopen("D:/大三/大三下/数据压缩/week4/test.rgb", "rb");FILE* yuvFile = fopen("D:/大三/大三下/数据压缩/week4/out.yuv", "wb");// 输入缓冲区 rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(Width * Height * 3);// 输出缓冲区 yBuf = (u_int8_t*)malloc(Width * Height);uBuf = (u_int8_t*)malloc((Width * Height) / 4);vBuf = (u_int8_t*)malloc((Width * Height) / 4);if (rgbBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL){printf("error\n");exit(1);}while (fread(rgbBuf, 1, Width * Height * 3, rgbFile)){if (rgb2yuv(Width, Height, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip)){printf("error");return 0;}for (int i = 0; i < Width * Height; i++){// 亮度信号电平16-235 if (yBuf[i] < 16) yBuf[i] = 16;if (yBuf[i] > 235) yBuf[i] = 235;}for (int i = 0; i < Width * Height / 4; i++){// 色差信号电平16-240 if (uBuf[i] < 16) uBuf[i] = 16;if (uBuf[i] > 240) uBuf[i] = 240;if (vBuf[i] < 16) vBuf[i] = 16;if (vBuf[i] > 240) vBuf[i] = 240;}fwrite(yBuf, 1, Width * Height, yuvFile);fwrite(uBuf, 1, (Width * Height) / 4, yuvFile);fwrite(vBuf, 1, (Width * Height) / 4, yuvFile);}printf("the file is written\n");fclose(rgbFile);fclose(yuvFile);return(0);
}

rgb2yuv.cpp

#include "stdlib.h"
#include <iostream>
#include "rgb2yuv.h"static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];int rgb2yuv(int x_dim, int y_dim, void* rgb, void* y_out, void* u_out, void* v_out, int flip)
{static int init_done = 0;long i, j, size;unsigned char* r, * g, * b;unsigned char* y, * u, * v;unsigned char* pu1, * pu2, * pv1, * pv2, * psu, * psv;unsigned char* y_buffer, * u_buffer, * v_buffer;unsigned char* sub_u_buf, * sub_v_buf;if (init_done == 0){InitLookupTable();init_done = 1;}// 检查x_dim和y_dim能否被2整除 if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1;size = x_dim * y_dim;// 分配内存 y_buffer = (unsigned char*)y_out;sub_u_buf = (unsigned char*)u_out;sub_v_buf = (unsigned char*)v_out;u_buffer = (unsigned char*)malloc(size * sizeof(unsigned char));v_buffer = (unsigned char*)malloc(size * sizeof(unsigned char));if (!(u_buffer && v_buffer)){if (u_buffer) free(u_buffer);if (v_buffer) free(v_buffer);return 2;}b = (unsigned char*)rgb;y = y_buffer;u = u_buffer;v = v_buffer;// 将RGB转换为YUV if (!flip) {for (j = 0; j < y_dim; j++){y = y_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;u = u_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;v = v_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim; i++) {// RGB文件按 BGRBGR…顺序保存 g = b + 1;r = b + 2;// 按亮度方程转换，对色差信号引入压缩系数，进行归一化处理*y = (unsigned char)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (unsigned char)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (unsigned char)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}}}else {for (i = 0; i < size; i++){// RGB文件按 BGRBGR…顺序保存 g = b + 1;r = b + 2;// 按亮度方程转换，对色差信号引入压缩系数，进行归一化处理 *y = (unsigned char)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (unsigned char)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (unsigned char)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}}// 子样本 UV for (j = 0; j < y_dim / 2; j++){psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2;psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2;pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim;pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;pv1 = v_buffer + 2 * j * x_dim;pv2 = v_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim / 2; i++){// 以正方形4个像素为单位共享1个uv，即进行下采样*psu = (*pu1 + *(pu1 + 1) + *pu2 + *(pu2 + 1)) / 4;*psv = (*pv1 + *(pv1 + 1) + *pv2 + *(pv2 + 1)) / 4;psu++;psv++;pu1 += 2;pu2 += 2;pv1 += 2;pv2 += 2;}}free(u_buffer);free(v_buffer);return 0;
}// 查找表函数 
void InitLookupTable()
{int i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV02990[i] = (float)0.2990 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV05870[i] = (float)0.5870 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01140[i] = (float)0.1140 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01684[i] = (float)0.1684 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03316[i] = (float)0.3316 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV04187[i] = (float)0.4187 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV00813[i] = (float)0.0813 * i;
}

rgb2yuv.h

#include<iostream>
using namespace std;int rgb2yuv(int x_dim, int y_dim, void* rgb, void* y_out, void* u_out, void* v_out, int flip);
void InitLookupTable();

运行结果

将测试文件test.rgb转为out.yuv：

二、BMP文件转YUV文件

1.理论部分

BMP文件的简要介绍

BMP(Bitmap)是Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB），采用位映射存储格式，除了图像深度可选(1、4、8、16、24、32bit)以外，在绝大多数应用中不进行其他任何压缩，因此BMP文件所占用的空间很大。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是 Windows 环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。BMP位图文件默认的文件扩展名是bmp或者dib。

BMP文件的组成结构

（1）位图头文件数据结构，它包含 BMP 图像文件的类型、显示内容等信息；

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
WORD bfType; /* 说明文件的类型 */
DWORD bfSize; /* 说明文件的大小，用字节为单位 */
WORD bfReserved1; /* 保留，设置为 0 */
WORD bfReserved2; /* 保留，设置为 0 */
DWORD bfOffBits; /* 说明从 BITMAPFILEHEADER 结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量 */
} BITMAPFILEHEADER;


（2）位图信息数据结构，它包含有 BMP 图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {
DWORD biSize; /* 说明结构体所需字节数 */
LONG biWidth; /* 以像素为单位说明图像的宽度 */
LONG biHeight; /* 以像素为单位说明图像的高速 */
WORD biPlanes; /* 说明位面数，必须为 1 */
WORD biBitCount; /* 说明位数/像素，1、2、4、8、24 */
DWORD biCompression; /* 说明图像是否压缩及压缩类型 BI_RGB，BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS */
DWORD biSizeImage; /* 以字节为单位说明图像大小，必须是 4 的整数倍*/
LONG biXPelsPerMeter; /*目标设备的水平分辨率，像素/米 */
LONG biYPelsPerMeter; /*目标设备的垂直分辨率，像素/米 */
DWORD biClrUsed; /* 说明图像实际用到的颜色数，如果为 0，则颜色数为 2 的 biBitCount次方 */
DWORD biClrImportant; /*说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是 0，表示都重要。*/
} BITMAPINFOHEADER;


（3）调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24位的 BMP）就不需要调色板；

typedef struct tagRGBQUAD {
BYTE rgbBlue; /*指定蓝色分量*/
BYTE rgbGreen; /*指定绿色分量*/
BYTE rgbRed; /*指定红色分量*/
BYTE rgbReserved; /*保留，指定为 0*/
} RGBQUAD;


（4）位图数据，这部分的内容根据 BMP 位图使用的位数不同而不同，在 24 位图中直接使用 RGB，而其他的小于 24 位的使用调色板中颜色索引值。

BMP转YUV文件实现过程

  1. 程序初始化（打开两个文件、定义变量和缓冲区等）
  2. 读取 BMP 文件，抽取或生成 RGB 数据写入缓冲区：读位图文件头（判断是否可读出、判断是否为 BMP 文件）→ 读位图信息头（判断是否读出）→ 判断像素实际点阵数 → 开辟缓冲区存，读数据，倒序存放 → 根据每像素位数不同执行不同操作。
  3. 调用 RGB2YUV 的函数实现 RGB 到 YUV 数据的转换
  4. 写 YUV 文件
  5. 程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

注：像素位数的不同，执行的BMP2RGB操作也不同。

  • 1~8bit：构造调色板，位与移位取像素数据，查调色板，写RGB缓冲区
  • 16bit：位与移位取像素数据，转换为8bit彩色分量，写RGB缓冲区
  • 24/32bit：直接取像素数据写RGB缓冲区

2.代码部分

在这里只放bmp2yuv工程的main函数，该工程内还有头文件bmp2yuv.h、转换函数rgb2yuv.cpp，内容与上面的rgb2yuv部分一样。

该代码实现：每张bmp图片在生成的yuv文件中展示70帧，三张图片共210帧。

#include<windows.h>
#include<stdio.h>
#include "bmp2yuv.h"
#include<iostream>
using namespace std;
#define u_int8_t	unsigned __int8
#define u_int		unsigned __int32
#define u_int32_t	unsigned __int32int main(int argc, char** argv)
{int i = 0,k = 0;char bmp_name[7][20] = { "mh1.bmp" ,"mh2.bmp","mh3.bmp" };FILE* yuvFile = fopen("out_video.yuv", "wb");BITMAPFILEHEADER File_header; // 文件头 BITMAPINFOHEADER Info_header; // 信息头 int frame_width, frame_height;// 处理三张图片 for(k=0;k<3;k++){ FILE* fp = fopen(bmp_name[k], "rb");if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp) != 1){cout << sizeof(BITMAPFILEHEADER) << endl;printf("read file header error!");exit(0);}// 位图文件头，判断是否为BMP文件 if (File_header.bfType != 0x4D42){printf("Not bmp file!");exit(0);}else{printf("this is a bmp file");}// 位图信息头，从中读取图片的宽、高、位数等信息 if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp) != 1){printf("read info header error!");exit(0);}frame_width = Info_header.biWidth;frame_height = Info_header.biHeight;printf("\nThis is a %d bits image!\n", Info_header.biBitCount);printf("bmp size: \t%d X %d\n", Info_header.biWidth, Info_header.biHeight);printf("\n");u_int8_t* rgbBuf = NULL;u_int8_t* yBuf = NULL;u_int8_t* uBuf = NULL;u_int8_t* vBuf = NULL;yBuf = (u_int8_t*)malloc(frame_width * frame_height);uBuf = (u_int8_t*)malloc((frame_width * frame_height) / 4);vBuf = (u_int8_t*)malloc((frame_width * frame_height) / 4);rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frame_width * frame_height * 3);fseek(fp, File_header.bfOffBits, 0);fread(rgbBuf, frame_width * frame_height * 3, 1, fp);// 将BMP文件转为RGB文件 unsigned char* temp = new unsigned char[frame_width * frame_height * 3];unsigned char* temp1 = new unsigned char[frame_width * frame_height * 3];int  j = 256*256*3;for (i=0; j>=0; i+=3, j-=3){*(temp+i) = *(rgbBuf+j-3);*(temp+i+1) = *(rgbBuf+j-2);*(temp+i+2) = *(rgbBuf+j-1);}for (i=0; i<256; i++){for (j=0; j<256; j++){*(temp1+3*j + i*256*3) = *(temp + (255-j)*3 + i*256*3);*(temp1+3*j + 1 + i*256*3) = *(temp + (255-j)*3 + 1 + i*256*3);*(temp1+3*j + 2 + i*256*3) = *(temp + (255-j)*3 + 2 + i*256*3);}}// 将转成的RGB文件再转为YUV文件 bool flip = true;rgb2yuv(frame_width, frame_height, temp1, yBuf, uBuf, vBuf, flip);//每张图片70帧，3张图片共210帧 j = 0; for (j = 0; j < 70; j++){fwrite(yBuf, 1, frame_width * frame_height, yuvFile);fwrite(uBuf, 1, (frame_width * frame_height) / 4, yuvFile);fwrite(vBuf, 1, (frame_width * frame_height) / 4, yuvFile);}}return 0;
}

运行结果

将三张bmp图片mh1.bmp、mh2.bmp、mh3.bmp转为共210帧的yuv文件out_video.yuv。

这篇关于RGB和BMP文件与YUV文件的转换的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/912429。

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