YUV2RGB实验报告

1.实验基本原理

RGB2YUV转换公式：

Y=0.2990*R+0.5870*G+0.1140*B

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

V=0.5*R-0.4187*G-0.813*B+128

YUV2RGB转换公式：

B=Y+1.779(U-128)

G=Y-0.7169(V-128)-0.3455(U-128)

R=Y+1.14075(V-128)

YUV文件格式：

YUV按照4:2:0的方式取样，即色度信号在水平方向和垂直方向的取样频率是亮度信号的1/4。

先存储一帧中的所有Y数据，接着存储一帧中所有的U数据，再存储所有的V数据。

所占空间大小：weight*height*1（Y）+weight*height/4（U）+weight*height/4（V）=weight*height*3/2（byte）

RGB文件格式：

RGB按照4:4:4的方式取样。

顺序存储每一像素点的B,G,R数据。

所占空间大小：weight*height*1（B）+weight*height*1（G）+weight*height*1（R）=weight*height*3（byte）

因为两种文件格式大小不一样，所以在RGB转YUV时色差信号需要下采样，即经公式转换后，每相邻四个U值取平均作为最终U值进行存储。V同理。反之，在YUV转RGB时，每个色差信号值需作为相邻4个像素的U,V值，即上采样。

关于数据溢出：

由于RGB文件是8bit量化，而YUV文件经公式转化后数值有可能超出0~255范围，数据溢出（如256会变为0）会造成图像部分地方颜色显示错误。可以通过设置double型（字节数比unsigned char型多）中间变量存放转换结果，再通过if语句判断是否超出范围来确定R,G,B的最终值，防止数据溢出。

关于main函数：

带参数的main函数书写：int main(int argc,char* argv[ ])

其中argc为送入参数的个数，本实验中为5个；

argv[0]-->yuv2rgb.exe（缺省）

argv[1]-->up.yuv（输入文件）

argv[2]-->up.rgb（生成文件）

argv[3]-->256（输入文件宽）

argv[4]-->256（输入文件高）

具体操作：

项目属性-->配置属性-->调试-->更改参数命令和工作目录（文件打开路径）

关于输出：

编译通过后输出屏无显示，在return(0)前添加一行getchar( )

当程序执行到getchar（）或者getch（）时会停下来等待输入，这样便于在以后直接运行可执行程序时可以看到结果，如果不用的话可能程序执行会一闪而过，导致观察不到。

关于vs2013环境：

运行程序时，会出现如下错误：

这是由于vs2013编译环境造成的，这时需要如下操作：工程属性-->配置属性-->c/c++-->预处理器定义栏内编辑，在下方增添一条

_CRT_SECURE_NO_WARNINGS指令。保存再次编译会显示通过。

2.实验流程分析

a.读入转换文件的文件名：宽、高、输入及输出文件名

b.初始化参数：FILE*rgbFile；

                         FILE* yuvFile；

                         int weight，height；

                         unsigned char* rgbBuffer malloc（）；

                         unsigned char* Y-Buffer ，*U-Buffer，*V-Buffer；

c.打开两个文件，赋值变量，开buffer（RGB文件1个，YUV文件3个）

d.读YUV文件，调用函数进行格式转换，写RGB文件

e.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 "yuv2rgb.h" #define u_int8_t unsigned __int8 //定义数据类型，防止不同编译软件数据类型字节数的不一致 #define u_int unsigned __int32 #define u_int32_t unsigned __int32 #define FALSE false #define TRUE true /* * yuv2rgb * required arg1 should be the input RAW YUV12 file * required arg2 should be the output RAW RGB24 file */ int main(int argc, char** argv) { /* variables controlable from command line */ u_int frameWidth = 352; /* --width=<uint> */ u_int frameHeight = 240; /* --height=<uint> */ bool flip = TRUE; /* --flip */ unsigned int i; /* internal variables */ char* rgbFileName = NULL; char* yuvFileName = NULL; FILE* rgbFile = 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; /* begin process command line */ /* point to the specified file names */ yuvFileName = argv[1]; rgbFileName = argv[2]; frameWidth = atoi(argv[3]); //字符串强制转整型 frameHeight = atoi(argv[4]); /* open the YUV file */ yuvFile = fopen(yuvFileName, "rb"); if (yuvFile == NULL) { printf("cannot find yuv file\n"); exit(1); } else { printf("The input yuv file is %s\n", yuvFileName); } /* open the RAW file */ rgbFile = fopen(rgbFileName, "wb"); if (rgbFile == NULL) { printf("cannot find rgb file\n"); exit(1); } else { printf("The output rgb file is %s\n", rgbFileName); } /* get an input buffer for a frame */ rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3); //开辟缓冲区 /* get the output buffers for a frame */ yBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight); uBuf = (u_int8_t*)malloc((frameWidth * frameHeight) / 4); vBuf = (u_int8_t*)malloc((frameWidth * frameHeight) / 4); if (rgbBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL) { printf("no enought memory\n"); exit(1); } while (fread(yBuf, 1, frameWidth*frameHeight, yuvFile) && fread(uBuf, 1, frameWidth*frameHeight / 4, yuvFile) && fread(vBuf, 1, frameWidth*frameHeight / 4, yuvFile)) //读入一帧的YUV，指针自动移至下一个未读字节处，即下一帧的开始，故可实现视频读入 { if (YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip)) { printf("error"); return 0; } printf("\r...%d", ++videoFramesWritten); fwrite(rgbBuf, 1, frameWidth * frameHeight * 3, rgbFile); } printf("\n%u %ux%u video frames written\n", videoFramesWritten, frameWidth, frameHeight); /* clean up */ if (yuvFile!=NULL) fclose(yuvFile); if (rgbFile != NULL) fclose(rgbFile); if (yBuf != NULL) free(yBuf); if (uBuf != NULL) free(uBuf); if (vBuf != NULL) free(vBuf); //关闭文件，释放缓冲区，防止内存泄漏 getchar(); return(0); }

yuv2rgb.cpp

/* This file contains YUV to RGB transformation functions. */ #include "stdlib.h" #include "yuv2rgb.h" static float YUVRGB14075[256]; static float YUVRGB03455[256], YUVRGB07169[256]; static float YUVRGB1779[256]; int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *bmp_out, void *y_in, void *u_in, void *v_in, int flip) { static int init_done = 0; long i, j, size; unsigned char *r, *g, *b; unsigned char *y, *u, *v; double r1, g1, b1; //设置中间变量，防止数据溢出 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; } // check to see if x_dim and y_dim are divisible by 2 if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1; size = x_dim * y_dim; // allocate memory y_buffer = (unsigned char *)y_in; sub_u_buf = (unsigned char *)u_in; sub_v_buf = (unsigned char *)v_in; u_buffer = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char)); //缓冲区大小为上采样后的大小 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 *)bmp_out; y = y_buffer; u = u_buffer; v = v_buffer; // subsample UV for (j = 0; j < y_dim / 2; j++) //上采样 { 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++) { *pu1 = *psu; *(pu1 + 1) = *psu; *pu2 = *psu; *(pu2 + 1) = *psu; *pv1 = *psv; *(pv1 + 1) = *psv; *pv2 = *psv; *(pv2 + 1) = *psv; psu++; psv++; pu1 += 2; pu2 += 2; pv1 += 2; pv2 += 2; } } // convert YUV to RGB if (!flip) //倒序存储的YUV转RGB { } else{ for (i = 0; i < size; i++) { g = b + 1; r = b + 2; b1 = (*y) + YUVRGB1779[*u]; g1 = (*y) - YUVRGB03455[*u] - YUVRGB07169[*v]; r1 = (*y) + YUVRGB14075[*v]; if(b1>0&&b1<255) //判断数据是否溢出 *b = (unsigned char)b1; else if (b1>255) *b = 255; else *b = 0; if (g1>0 && g1<255) *g = (unsigned char)g1; else if (g1>255) *g = 255; else *g = 0; if (r1>0 && r1<255) *r = (unsigned char)r1; else if (r1>255) *r = 255; else *r = 0; b += 3; y++; u++; v++; } } if (u_buffer) free(u_buffer); if (v_buffer) free(v_buffer); return 0; } void InitLookupTable() //提前计算转换公式中的各系数值 { int i; for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB14075[i] = (float)1.4075 * (i - 128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB03455[i] = (float)0.3455 * (i - 128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB07169[i] = (float)0.7169 * (i - 128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB1779[i] = (float)1.799 * (i - 128); }

4.实验结果及分析

将程序生成的RGB文件通过已有程序进行RGB2YUV转换，打开YUV播放器查看结果并与原图像作对比。

有数据溢出时的情况：

可以看出UV第4列的值与原文件相差较大，即出现数据溢出，图像部分区域有红点出现。

在经过溢出判断处理后，红点得到消除，结果如下：

两幅图像数据差异很小，人眼无法分辨出图像区别。

将另外3个yuv视频文件对该实验进行验证，结果如下：

视频1：

视频2：

视频3：