BMP转YUV实验报告

1.BMP格式文件格式转换基本原理

BMP文件的内部储存格式如下图所示，包括文件头，信息头，调色板和位图数据。在VS下以二进制方式打开BMP文件时，我们可以清晰地看到这四个模块的内容。

1）文件头的内部存储数据如下图所示，其中，WORD--2字节,DWORD--4字节，在二进制文件中，可以根据字节数推算，从而找到表示相应含义的字节。

2）信息头的内部存储数据如下图所示，WORD--2字节，DWORD--4字节，LONG--2字节。

3）调色板——本质是一个数组，它包含的元素和位图具有的颜色数相同，由biClrUsed和biBitCount所决定。元素的类型都是RGBQUAD结构。但是本实验中，只有8bit, 4bit, 1bit位图有调色板，24bit和16bit的真彩色无调色板部分。这也就为转换时的处理带来了方便，尤其是24bit的真彩图可以在读入文件头和信息头之后直接将IMAGE DATA部分直接写入rgbBuf，24bit位图的图像数据部分存储和rgb格式相同。调色板包含的数据如下图所示。

2.实验流程分析

首先，打开并读入BMP文件、定义变量，开辟存储空间。BMP文件中首先被读入的应该是文件头和信息头，读入之后才能根据其中给出的关于位图的宽高、bit数等信息进行开辟空间等操作。在本实验中，定义两个指针：BITMAPFILEHEADER File_header; BITMAPINFOHEADER Info_header; 分别用来获取文件头和信息头的数据。注意，这两种类型需要加<windows.h>头文件。

其次，提取出RGB数据，写入缓冲区。不同bit的文件不同处理。24bit图可以直接取图片数据；16bit比较复杂，需要取像素数据转换成8bit彩色分量后再写入rgbBuf；8bit，4bit，1bit均需要构造调色板。需要注意的是图像数据需要倒置，具体代码见代码分析部分。

再次，调用上次实验写好的RGB转YUV的函数实现转换，并写入新的YUV文件。生成视频时可以循环写入，每张图片素材40帧。打开方式“wb+”可以下次继续写入。

最后，释放缓冲区，关闭文件。

3.关键代码分析

1，获取文件的宽高，开辟储存空间。

u_int width, height;
	if ((Info_header.biWidth % 4) == 0)
		width = Info_header.biWidth;
	else
		width = (Info_header.biWidth*Info_header.biBitCount + 31) / 32 * 4;
		//加31除32后取整数部分，就保证了计算结果是离这个数最近的而且是比它大的32的倍数，即为4字节的整数倍。
	    //乘4和行数，得到4字节整数倍的图像大小，以便开辟储存空间时除4时不出现问题
	if ((Info_header.biHeight % 2) == 0)
		height = Info_header.biHeight;
	else
		height = Info_header.biHeight + 1;

	
	/* get the output buffers for a frame */
	rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(height*width * 3);
	yBuf = (u_int8_t*)malloc(height*width * 3);
	uBuf = (u_int8_t*)malloc(height*width / 4);
	vBuf = (u_int8_t*)malloc(height*width / 4);

2，读入BMP图像数据，在本实验中，将读取BMP中rgb数据的过程写在bmp2rgb.cpp文件中，下面给出bmp2rgb.cpp的代码。这个过程中，要注意的一点是，BMP的图像数据部分虽然和rgb形式相同，但是是倒序存储在文件中的，需要我们在提取时将数据倒序存储在rgbBuf中，详见代码注释部分。在完成后需要注意释放开辟的空间。

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

int BMP2RGB(FILE * pFile, BITMAPFILEHEADER & file_h, BITMAPINFOHEADER & info_h, unsigned char * rgbDataOut)
{
	unsigned long Loop,i,j,width,height,w,h;
	unsigned char mask,*Index_Data,* Data;

	if (((info_h.biWidth/8*info_h.biBitCount)%4) == 0)
		w = info_h.biWidth;
	else
		w = (info_h.biWidth*info_h.biBitCount+31)/32*4;
	if ((info_h.biHeight%2) == 0)
		h = info_h.biHeight;
	else
		h = info_h.biHeight + 1;

	width = w/8*info_h.biBitCount;
	height = h;

	Index_Data = (unsigned char *)malloc(height*width);
	Data = (unsigned char *)malloc(height*width);

	fseek(pFile,file_h.bfOffBits,0);
	if(fread(Index_Data,height*width,1,pFile) != 1)
	{
		printf("read file error!\n\n");
		exit(0);
	}
	//倒序存储，考虑到BMP的图像存储顺序是倒序，尾行在第一行，在这里做倒转。
	//正序图像数据存入Data
	for ( i = 0;i < height;i++)
	{
		for (j = 0;j < width;j++)
		{
 			Data[i*width+j] = Index_Data[(height-i-1)*width+j];
		}
	}
	if(info_h.biBitCount==24)
	{
		memcpy(rgbDataOut,Data,height*width);
	}
	if(info_h.biBitCount==16)
	{
			for (Loop = 0;Loop < height * width;Loop +=2)
			{
				*rgbDataOut = (Data[Loop]&0x1F)<<3;
				*(rgbDataOut + 1) = ((Data[Loop]&0xE0)>>2) + ((Data[Loop+1]&0x03)<<6);
				*(rgbDataOut + 2) = (Data[Loop+1]&0x7C)<<1;

				rgbDataOut +=3;
			}
	}
	RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned int)pow(float(2),info_h.biBitCount));
	int temp = sizeof(pRGB);
	if(!MakePalette(pFile,file_h,info_h,pRGB))
		printf("No palette!\n\n");
	if(info_h.biBitCount!=24&&info_h.biBitCount!=16)
	{
		for (Loop=0;Loop<height*width;Loop++)
		{
			switch(info_h.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)
			{
				unsigned char index = mask == 0xFF ? Data[Loop] : ((Data[Loop] & mask)>>(8 - shiftCnt * info_h.biBitCount));
				* rgbDataOut = pRGB[index].rgbBlue;
				* (rgbDataOut+1) = pRGB[index].rgbGreen;
				* (rgbDataOut+2) = pRGB[index].rgbRed;
				if(info_h.biBitCount == 8)
					mask =0;
				else
					mask >>= info_h.biBitCount;
				rgbDataOut += 3;
				shiftCnt ++;
			}
		}
	}
	if(Index_Data) free(Index_Data);
	if(Data) free(Data);
	if(pRGB) free(pRGB);
	return(0);
}

4，实验结果及其分析

  

24bit 16bit 8bit

   

原图 4bit 1bit

转换结果和原图如上面的六幅图所示，实验中选取了四幅微信头像作为素材，其中这一幅天空颜色渐变，在不同的量化比特数下效果十分明显，故此处以此图为例。第一幅24bit的图可以实现2^24种颜色，颜色过渡自然，用原图和24bit转换后的图进行比较，可以发现几乎没有差别。从16bit和8bit可以看到天空的颜色出现明显分层。4bit时，图中只有16种颜色。1bit时，只有黑白两色。

生成视频时要尤其注意，图片的宽高应该一致，这在处理单张图片时不会出现问题，但是多幅图拼接成视频就会出现问题。由于选取的第五张图宽高不同于前四张头像，所以出现图像混乱，如下图所示。最终我们以四幅图，每幅图50帧的方式写满200帧的视频并正常播放。

5，调试过程问题总结

1）rgb2yuv.h中提示FILE未定义符号，提示BITMAPFILEHEADER和BITMAPINFOHEADER未定义。包括我在内，不少同学都遇到了头文件中报错的问题。后者会出现红色下划线，包含了<windows.h>头文件后报错下划线就会消失。但是FILE未定义时，并没有红色的下划线提示，报错时反复看也看不出问题。一般对类型报错都是由没有包含定义该类型的头文件导致。其实这样的问题很容易解决：右键FILE->转到定义。此时会弹出定义FILE的文件窗口，即“stdio.h”，将它include即可。

#ifndef RGB2YUV_H_
#define RGB2YUV_H_
#include<windows.h>
#include<stdio.h>

int BMP2RGB(FILE * pFile, BITMAPFILEHEADER & file_h, BITMAPINFOHEADER & info_h, unsigned char * rgbDataOut);
int RGB2YUV (int x_dim, int y_dim, void *bmp, void *y_out, void *u_out, void *v_out, int flip);
bool MakePalette(FILE * pFile, BITMAPFILEHEADER &file_h, BITMAPINFOHEADER & info_h, RGBQUAD *pRGB_out);
void InitLookupTable();


#endif

2）复制代码出现问题。报错：“ error C4335: 检测到 Mac 文件格式: 请将源文件转换为 DOS 格式或 UNIX 格式 ”此处再次强调编程习惯的重要性，实验时粘贴代码，尤其是从ppt或者网页上直接粘贴到VS上会导致出现如下错误。这个错误非常麻烦，一般是空格或者换行的格式有误，比如用了全角，但是往往我们是看不出空格和换行符的错误的。所以一旦出现问题，就把复制过的地方重新敲一遍，或者把换行重新敲一下。另外，复制代码还可能 随之出现不识别已经定义的数据类型符报错的问题，比如1）中提到的不识别BITMAPINFOHEADER，这时尝试保存好工程然后关闭所有文件重新打开一下。可能会弹出下面的对话框，选择是，标准化后错误可能就消失了。

参考：http://blog.youkuaiyun.com/leixiaohua1020/article/details/13506099 致敬师哥。