BMP2YUV实验报告

最新推荐文章于 2022-04-09 18:41:55 发布

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#bmp #yuv #数据结构 #位图 #压缩

1.实验基本原理

BMP文件格式

BMP（全称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），使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，在绝大多数应用中不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit、16bit及24bit。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。
典型的BMP图像文件由四部分组成：
（1）位图头文件数据结构BITMAPFILEHEADER，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；
（2）位图信息数据结构BITMAPINFOHEADER，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；
（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。调色板实际上是一个数组，它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。

（4）位图数据紧跟在调色板之后。对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值（逻辑色）。对于真彩色图，图像数据就是实际的R、G、B值。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。规定每一扫描行的字节数必须是4的整倍数，也就是DWORD对齐的。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。

结构体BITMAPFILEHEADER，BITMAPINFOHEADER，RGBQUAD定义在windows.h库中，可以直接调用。

#include<windows.h>

BITMAPFILEHEADER

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  */
                                                      /*注意此处的字节序问题*/
        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;

BITMAPINFOHEADER
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;

RGBQUAD
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;

查看BMP文件二进制流

24bitBMP文件

格式说明：

前14字节为FILEHEADER空间，之后40字节为INFOHEADER空间，24bitBMP为真彩色图像，无调色板，因此INFOHEADER空间之后为位图数据。

第1-2字节：42 4D表示图像为BMP格式

第3-6字节：表示图像大小，为倒序存储，实际大小应为00 00 E0 01

第11-14字节：表示偏移量36H=54，即文件头+信息头一共54字节

第19-22字节：倒序存储图像宽度，(02 80H)=640像素

第23-36字节：倒序存储图像高度，（01 E0H）=480像素

8bitBMP文件

格式说明：

前14字节为FILEHEADER空间，之后40字节为INFOHEADER空间，8bitBMP不是真彩色图像，有调色板。

调色板空间字节数= sizeof(RGBQUAD)*pow(2, (float)info_h.biBitCount))

字节序

不同的计算机系统采用不同的字节序存储数据，同样一个4字节的32位整数，在内存中存储的方式不同。字节序分为小尾字节序(Little Endian)和大尾字节序(Big Endian)。Intel处理器大多数使用小尾字节序，Motorola处理器大多数使用大尾(Big Endian)字节序。

小尾就是低位字节排放在内存的低端，高位字节排放在内存的高端，即所谓的“低位在前，高位在后”。大尾就是高位字节排放在内存的低端，低位字节排放在内存的高端，即所谓的“高位在前，低位在后”。TCP/IP各层协议将字节序定义为大尾，因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

在实现BMP文件头信息的写入时，需要注意整数保存时的字节序。

2.实验流程分析

程序初始化（打开两个文件、定义变量和缓冲区等）

读取BMP文件，抽取或生成RGB数据写入缓冲区

调用RGB2YUV的函数实现RGB到YUV数据的转换

写YUV文件

程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

3.关键代码及分析

main.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <math.h>
#include<windows.h> 
#include "rgb2yuv.h"
#include "readrgb.h"


#define u_int8_t	unsigned __int8
#define u_int		unsigned __int32
#define u_int32_t	unsigned __int32

int main(int argc, char** argv)
{
	bool flip = FALSE;				/* --flip */
	unsigned int i;
	int width = 0, height = 0;
	/* internal variables */
	char* bmpFileName = NULL;
	char* yuvFileName = NULL;
	FILE* bmpFile = NULL;
	FILE* yuvFile = NULL;
	u_int8_t* rgbBuf = NULL;
	u_int8_t* yBuf = NULL;
	u_int8_t* uBuf = NULL;
	u_int8_t* vBuf = NULL;
	u_int32_t videoFramesWritten = 0;

	//打开5幅bmp图像并生成1个YUV文件
	for (int k = 1; k < 6; k++)            //argv[0]=命令名,argv[1]=参数1,argv[2]=参数2,….argv[n]=参数n
	{
		if ((bmpFile = fopen(argv[k], "rb")) == NULL)
		{
			printf("bmp file open failed!");
			exit(0);
		}
		if ((yuvFile = fopen(argv[6], "ab+")) == NULL)  //ab+：以附加方式打开可读写的二进制文件。若文件不存在，则会建立该文件，
		{                                               //如果文件存在，写入的数据会被加到文件尾后，即文件原先的内容会被保留。
			printf("yuv file failed!");
			exit(0);
		}


		BITMAPFILEHEADER File_header;
		BITMAPINFOHEADER Info_header;
		if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1)
		{
			printf("read file header error!");
			exit(0);
		}
		if (File_header.bfType != 0x4D42)
		{
			printf("Not bmp file!");
			exit(0);
		}
		if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1)
		{
			printf("read info header error!");
			exit(0);
		}

		//保证行扫描为4字节的整数倍
		int width, height;
		if (((Info_header.biWidth * Info_header.biBitCount / 8))%4 == 0)
			width = Info_header.biWidth * Info_header.biBitCount / 8;
		else
			width = (Info_header.biWidth*Info_header.biBitCount + 31) / 32 * 4;
			//width,height定义为整型，此式保证计算结果是距离这个数最近的4字节的整数倍
		if ((Info_header.biHeight % 2) == 0)
			height = Info_header.biHeight;
		else
			height = Info_header.biHeight + 1;
			//保证为偶数列
	
		rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(Info_header.biWidth * Info_header.biHeight * 3);//为bmp中的图像数据开辟buffer

		yBuf = (u_int8_t*)malloc(Info_header.biWidth * Info_header.biHeight);
		uBuf = (u_int8_t*)malloc((Info_header.biWidth * Info_header.biHeight) / 4);
		vBuf = (u_int8_t*)malloc((Info_header.biWidth * Info_header.biHeight) / 4);
		memset(rgbBuf, 0, Info_header.biWidth * Info_header.biHeight * 3);         //memset：对结构体或者数组快速清零的函数

		if (rgbBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL)
		{
			printf("no enought memory\n");
			exit(1);
		}

		ReadRGB(bmpFile, File_header, Info_header, rgbBuf); //读取bmp文件中的图像数据

		if (RGB2YUV(Info_header.biWidth, Info_header.biHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip))
		{
			printf("rgb2yuv error");
			exit(1);
		}

		//归一化处理
		for (i = 0; i < unsigned int(Info_header.biWidth * Info_header.biHeight); i++)
		{
			if (yBuf[i] < 16) yBuf[i] = 16;
			if (yBuf[i] > 235) yBuf[i] = 235;
		}

		for (i = 0; i < unsigned int(Info_header.biWidth * Info_header.biHeight / 4); i++)
		{
			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;
		}

		//每个文件写40帧
		for (int j = 0; j < 40; j++)
		{
			fwrite(yBuf, 1, Info_header.biWidth * Info_header.biHeight, yuvFile);
			fwrite(uBuf, 1, (Info_header.biWidth * Info_header.biHeight) / 4, yuvFile);
			fwrite(vBuf, 1, (Info_header.biWidth * Info_header.biHeight) / 4, yuvFile);
		}

		printf("\n %u,%ux%u video frames written\n",Info_header.biBitCount,Info_header.biWidth, Info_header.biHeight);
		memset(yBuf, 0, Info_header.biWidth * Info_header.biHeight);
		memset(uBuf, 0, Info_header.biWidth * Info_header.biHeight / 4);
		memset(vBuf, 0, Info_header.biWidth * Info_header.biHeight / 4);
	}
	//释放缓冲区，关闭文件
	free(yBuf);
	free(uBuf);
	free(vBuf);
	free(rgbBuf);
	fclose(bmpFile);
	fclose(yuvFile);
	
	getchar();
	return(0);
}

readRGB.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <math.h>
#include<windows.h> 
#include "readrgb.h"

//检测信息头结束位置是否与图像数据起始位置重合，若中间有（2的biBitCount次方）*（结构体RGBQUAD大小）的空间，
//则说明存在调色板，即图像不是真彩色。
bool MakePalette(FILE * pFile, BITMAPFILEHEADER &file_h, BITMAPINFOHEADER & info_h, RGBQUAD *pRGB_out)
{
	if ((file_h.bfOffBits - sizeof(BITMAPFILEHEADER)-info_h.biSize) == sizeof(RGBQUAD)*pow(2, (float)info_h.biBitCount))
	{
		fseek(pFile, sizeof(BITMAPFILEHEADER)+info_h.biSize, 0);  //移动文件指针指向调色板
		fread(pRGB_out, sizeof(RGBQUAD), (unsigned int)pow(2, (float)info_h.biBitCount), pFile);//从pFile指向的文件中取 sizeof(RGBQUAD)*pow(2, (float)info_h.biBitCount)
		                                                                                        //个字节数存入pRGB_out指向的空间
		return true;
	}
	else
		return false;
}
void ReadRGB(FILE* bFile , BITMAPFILEHEADER & File_header, BITMAPINFOHEADER & Info_header, unsigned char* rgbdata)
{
	unsigned long Loop, width, height;
	unsigned char mask = 0, *tempData;

	if (((Info_header.biWidth * Info_header.biBitCount / 8)) % 4 == 0)
		width = Info_header.biWidth * Info_header.biBitCount / 8;
	else
		width = (Info_header.biWidth*Info_header.biBitCount + 31) / 32 * 4;

	if ((Info_header.biHeight % 2) == 0)
		height = Info_header.biHeight;
	else
		height = Info_header.biHeight + 1;

	tempData = (unsigned char *)malloc(width * height);

	fseek(bFile, File_header.bfOffBits, 0);
	fread(tempData, 1, width * height, bFile);  //将数据读入临时buffer，倒序存储,注意在rgb2yuv时也要倒序处理，即flip=0

	if (Info_header.biBitCount == 24)//若图像深度为24（无调色板），则数据直接写入rgb缓冲区
	{
		memcpy(rgbdata, tempData, width * height);
		free(tempData);
		return;
	}

	RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned int)pow(2, (float)Info_header.biBitCount));
	if (!MakePalette(bFile, File_header, Info_header, pRGB))
		printf("No palette!");

	if (Info_header.biBitCount == 16)
	{
		for (Loop = 0; Loop < width * height; Loop += 2)   //unsigned long Loop：一字节长度
			                                               //图像深度为16，位与移位取像素数据转换为8bit / 彩色分量，写入rgb缓冲区
		{
			*rgbdata = (tempData[Loop] & 0x1F) << 3;
			*(rgbdata + 1) = ((tempData[Loop] & 0xE0) >> 2) + ((tempData[Loop + 1] & 0x03) << 6);
			*(rgbdata + 2) = (tempData[Loop + 1] & 0x7C) << 1;
			rgbdata += 3;
		}
	}
	for (Loop = 0; Loop < width * height; Loop++)//图像深度为8及8以下，构造调色板，位与移位取像素数据，查调色板，写入rgb缓冲区
	{
		switch (Info_header.biBitCount)
		{
		case 1:
			mask = 0x80;
			break;
		case 2:
			mask = 0xC0;
			break;
		case 4:
			mask = 0xF0;
			break;
		case 8:
			mask = 0xFF;
		}

		int shiftCnt = 1;

		while (mask) //循环mask次：1bit每字节循环8次，2bit4次，4bit2次
		{
			unsigned char index = mask == 0xFF ? tempData[Loop] : ((tempData[Loop] & mask) >> (8 - shiftCnt * Info_header.biBitCount));

			*rgbdata = pRGB[index].rgbBlue;
			*(rgbdata + 1) = pRGB[index].rgbGreen;
			*(rgbdata + 2) = pRGB[index].rgbRed;

			if (Info_header.biBitCount == 8)
				mask = 0;
			else
				mask >>= Info_header.biBitCount;
			rgbdata += 3;
			shiftCnt++;
		}
	}
	free(tempData);
	free(pRGB);
}

rgb2yuv代码在此不再赘述

4.实验结果及分析

图像大小均为640*480，顺序为24bit，16bit，8bit，4bit，1bit处理后的结果