BMP文件转YUV文件

目录

一、实验原理

1.BMP文件格式分析

位图文件头 BITMAPFILEHEADER

位图信息头 BITMAPINFOHEADER 

调色板 Palette

实际的位图数据 ImageData

注意：字节序 

2、RGB文件转YUV文件

RGB与的YUV对应关系

 量化电平的分配 

二、实验流程分析 

三、关键代码分析

1.头文件及声明部分

2.主函数部分

3.BMP2YUV函数

4.查找表部分 

四、实验结果 

五、实验总结（都是做实验时踩过的坑）

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一、实验原理

1.BMP文件格式分析

       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），使用广泛。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：

位图文件头 BITMAPFILEHEADER

位图信息头 BITMAPINFOHEADER

调色板 Palette

实际的位图数据 ImageData

• 位图文件头 BITMAPFILEHEADER

• 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*/
}   BITMAPFILEHEADER;

• 位图信息头 BITMAPINFOHEADER 

• 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度 */
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^biBitCount */
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;

• 调色板 Palette

• 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;

• 实际的位图数据 ImageData

• 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。

• 注意：字节序 

       字节序分为小尾字节序(Little Endian)和大尾字节序(Big Endian)。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”。

2、RGB文件转YUV文件

• RGB与的YUV对应关系

       YUV格式中的YUV指的是数字高清所对应的YCbCr信号，则根据亮度和色差计算公式，可以得到：

• Y＝0.2990R+0.5870G+0.1140B 
• R-Y＝0.7010R-0.5870G-0.1140B 
• B-Y＝-0.2990R-0.5870G+0.8860B

       为使色差信号的动态范围控制在-0.5~+0.5之间，要对色差信号进行归一化处理，即需要引入数字色差信号的压缩系数（分别为0.564与0.713），从而得到UV的计算公式，即得到最终的RGB与的YUV对应关系为

• Y＝0.2990R+0.5870G+0.1140B 
• U＝-0.1684R-0.3316G+0.5B 
• V＝0.5R-0.4187G-0.0813B

•  量化电平的分配 

       首先，由上述转化式子得到的UV范围在-128~+127之间，为避免负数，应在U、V之后各加128。

       其次，YUV在存储时，为了防止信号变得造成过载，在对分量信号进行8bit均匀量化时：

• Y分量256级上端留20级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带，即Y的动态范围为16—235；
• UV分量256级上端留15级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带，即U、V的动态范围为16—240。

二、实验流程分析 

1.程序初始化（打开YUV文件、定义变量和缓冲区等）
2.写循环体，实现5张图片各若干帧 ，打开BMP文件
3. 读取 BMP 文件，根据文件头信息获取图片的高宽等信息，同时获取偏移量以找到RGB数据。将 RGB 数据写入缓冲区，此时根据文件位深度，选择不同的处理方法：（本次实验选取的均为24bit真彩色图片）

• 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
• 24bit，直接取像素数据写RGB缓冲区

4. 调用 RGB2YUV 的函数实现 RGB 到 YUV 数据的转换
5.重复若干次写 YUV 文件
6. 程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

三、关键代码分析

1.头文件及声明部分

除了实验需要用的头文件，还声明了查找表与RGB2YUV函数。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<string.h>
#include<stdio.h>
#include<windows.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <fstream>
void InitLookupTable();
int RGB2YUV(int width, int heigth, unsigned char* rgb, unsigned char* y, unsigned char* u, unsigned char* v);

2.主函数部分

先进行程序初始化：

BITMAPFILEHEADER File_header;
BITMAPINFOHEADER Info_header;
FILE* bmpFile = NULL;
FILE* yuvFile = NULL;
yuvFile = fopen(argv[6], "wb");
if (yuvFile == NULL)
{
	cout << "out.yuv打开失败" << endl;
	return 0;
}

写循环体，对5张图片分别进行处理：

for (int n = 1; n < 6; n++)
	{
		bmpFile = fopen(argv[n], "rb");
		if (bmpFile == NULL)
		{
			cout << n << ".bmp打开失败" << endl;
			return 0;
		}

		//读取位图文件头、位图信息头
		fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile);
		fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile);
		if (File_header.bfType != 0x4D42) {
			cout << n << "图不是bmp文件格式" << endl;
			return 0;
		}

		//判断像素的实际点阵数
		int width, height, w, h;
		if (((Info_header.biWidth / 8 * Info_header.biBitCount) % 4) == 0)
			w = Info_header.biWidth;
		else
			w = (Info_header.biWidth * Info_header.biBitCount + 31) / 32 * 4;
		if ((Info_header.biHeight % 2) == 0)
			h = Info_header.biHeight;
		else
			h = Info_header.biHeight + 1;

		width = w / 8 * Info_header.biBitCount;   //width为实际一行的字节数
		height = h;                               //height为列数


		//开辟实际字节数量的缓冲区，读数据，一次读取一个字节
		unsigned char* bmp_rgb = (unsigned char*)malloc(width * height);
		unsigned char* rgb = (unsigned char*)malloc(width * height);
		//寻找数据部分
		fseek(bmpFile, File_header.bfOffBits, 0);
		if (fread(bmp_rgb, width * height, 1, bmpFile) == 0)
		{
			printf("read file error!\n\n");
			return 0;
		}
		//倒序存放
		for (int i = 0; i < height; i++)
		{
			for (int j = 0; j < width; j++)
			{
				rgb[i * width + j] = bmp_rgb[(height - i - 1) * width + j];
			}
		}
		free(bmp_rgb);


		//对数据部分RGB进行转换处理
		unsigned char* y = new unsigned char[height * width];
		unsigned char* u = new unsigned char[height * width / 4];
		unsigned char* v = new unsigned char[height * width / 4];
		RGB2YUV(w, h, rgb, y, u, v);

		//写yuv文件
		int time = atoi(argv[n+5]);
		for (int count = 0; count < time; count++)
		{
			fwrite(y, 1, w * h, yuvFile);
			fwrite(u, 1, w * h / 4, yuvFile);
			fwrite(v, 1, w * h / 4, yuvFile);

		}
		free(rgb);
		fclose(bmpFile);
	}

程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）：

//在多帧播放时，yuvFile只需要关一次，并且一定在最后关，不要重复多次关闭，否则会出现文件覆盖
	fclose(yuvFile);

3.BMP2YUV函数

int RGB2YUV(int width, int height, unsigned char* rgb, unsigned char* y, unsigned char* u, unsigned char* v)
{
	InitLookupTable();
	unsigned char* u_temp = (unsigned char*)malloc(width * height * sizeof(unsigned char));
	unsigned char* v_temp = (unsigned char*)malloc(width * height * sizeof(unsigned char));
	unsigned long b, g, r, count;
	count = 0;
	//将RGB分离(BGR)，并且计算y，u，v分量 (对色差信号进行归一化处理)
	for (unsigned long i = 0; i < width * height * 3; i += 3)
	{
		b = unsigned long(rgb[i]);
		g = unsigned long(rgb[i + 1]);
		r = unsigned long(rgb[i + 2]);
		y[count] = (unsigned char)(RGBYUV02990[r] + RGBYUV05870[g] + RGBYUV01140[b]);
		u_temp[count] = (unsigned char)(-RGBYUV01684[r] - RGBYUV03316[g] + RGBYUV05000[b] + 128);
		v_temp[count] = (unsigned char)(RGBYUV05000[r] - RGBYUV04187[g] - RGBYUV00813[b] + 128);
		count++;
	}
	//对u信号及v信号进行采样（4:2:0），所以u的数据是y的数据的1/4，v的数据是y的数据的1/4
	int k = 0;
	for (unsigned long i = 0; i < height; i += 2)
	{
		for (unsigned long j = 0; j < width; j += 2)
		{
			u[k] = (u_temp[i * width + j] + u_temp[(i + 1) * width + j] + u_temp[i * width + j + 1] + u_temp[(i + 1)* width + j + 1]) / 4;
			v[k] = (v_temp[i * width + j] + v_temp[(i + 1) * width + j] + v_temp[i * width + j + 1] + v_temp[(i + 1)* width + j + 1]) / 4;
			k++;
		}
	}
	free(u_temp);
	free(v_temp);
	//对y、u、v 信号进行限电平处理
	for (unsigned long i = 0; i < width * height; i++)
	{
		if (y[i] < 16)
			y[i] = 16;
		if (y[i] > 235)
			y[i] = 235;
	}
	for (unsigned long i = 0; i < width * height / 4; i++)
	{
		if (u[i] < 16)
			u[i] = 16;
		if (v[i] < 16)
			v[i] = 16;
		if (u[i] > 240)
			u[i] = 240;
		if (v[i] > 240)
			v[i] = 240;
	}
	return 0;
}

4.查找表部分 

void InitLookupTable()
{
	unsigned long i;

	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV02990[i] = (double)0.2990 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV05870[i] = (double)0.5870 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01140[i] = (double)0.1140 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01684[i] = (double)0.1684 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03316[i] = (double)0.3316 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV04187[i] = (double)0.4187 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV00813[i] = (double)0.0813 * i;
	for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV05000[i] = (double)0.5000 * i;
}

四、实验结果 

本次实验的命令行参数为：

 本次实验采用的五张图片如下：

 

 

 最终转化成的YUV格式视频为（用YUV播放器播放并录屏）：

五、实验总结（都是做实验时踩过的坑）

1. 图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序，也就是数据区第一个存储的是图像左下角像素的RGB信息，最后存储的是图像右上角像素的RGB信息。

2.因为YUV采用格式选取4:2:0，因此需要提前判断图像的高是否为偶数，若不是需要提前进行处理。

3.选取的5副图像需要宽高一致，这样在用YUV播放器按照填写的宽高播放时才能正常播放。

4.在多帧播放时，yuvFile只需要关一次，并且一定在最后关，不要重复多次关闭，否则会出现文件覆盖，最后只保留了最后一幅图片。