数据压缩原理实验1

数据压缩原理实验1_彩色空间转换实验(yuv转rgb)

一、本实验涉及到的基本原理

(1)RGB转为YUV

Y  =   0.299*R + 0.587*G + 0.114*B

B-Y =  -0.299*R + 0.413*G - 0.114*B

R-Y =   0.701*R - 0.587*G - 0.114*B

为了使色差信号的动态范围控制在-0.5至0.5之间，需要进行归一化，所以对色差信号引入了压缩系数。

归一化后的色差信号为：

U = 0.492*(B- Y) =  -0.147*R - 0.289*G + 0.436*B

V = 0.877*(R- Y) =   0.615*R - 0.515*G - 0.100*B

色差信号经过归一化处理后，动态范围控制在-0.5—0.5，让色差零电平对应码电平128，色差信号总共占225个量化级。

在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，因此真正在代码中所实现的UV转换公式如下：

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

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

(2)YUV转RGB

R = Y + 1.140*V

G = Y - 0.394*U - 0.581*V

B = Y + 2.032*U

同样经过归一化处理，使其动态范围控制在-0.5—0.5之间，并让零电平对应码电平128，因此在代码中真正的RGB转换公式如下：

R=Y+1.1402*(V-128)

G=Y-0.34414*(U-128)-0.71414*(V-128)

B=Y+1.772*(U-128)

(3)YUV文件和RGB文件

YUV420文件是指4:2:0格式即色差信号UV在水平方向和水平方向上的取样点数均为亮度信号Y的一半，因此UV的取样频率为Y取样频率的四分之一。

YUV文件在存储上按先把一帧图像中每个像素的Y先存储再存储UV信号，存储方式如下：

RGB文件中每个像素都是由红绿蓝三色混合所得，需要注意的是在文件存储中每个像素按BGR进行逐个存储，存储方式如下：

二、实验的流程分析

1、确定指针并进行定义（包括文件指针，开辟空间等）

2、读入YUV文件

3、将U、V块分别进行上采样为U’、V’，使其与Y块的大小相同

下图为上采样的图示，yuv原来的4：2：0格式扩展为4：4：4格式，形式为等值赋值（u和sub_u_buf为指针）

4、将4：4：4的Y、U’、V’通过转换公式计算得到R、G、B值

5、写出RGB文件

 

三、关键代码及其分析（分析附在代码里）

main.cpp文件，代码如下：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <malloc.h> #include "yuv2rgb.h" #define u_int8_t unsigned __int8 #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; /* 设置帧宽初始值 --width=<uint> */ u_int frameHeight = 240; /* 设置帧高初始值 --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* yuvBuf = 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]); 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 yuv file is %s\n", rgbFileName); } /* get an output buffer for a frame */ //因为rgb文件中每个像素都是有RGB三个分量所构成，所以其存储大小应为一帧图像大小的三倍 rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3); /* get the input buffers for a frame */ /*因为yuv4:2:0文件每个像素都有y分量，而uv都是每四个像素取一个值， 所以总体的存储大小为一帧图像大小的1.5倍*/ yuvBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3/2); if (rgbBuf == NULL || yuvBuf==NULL) { printf("no enought memory\n"); exit(1); } /* while循环里按照yuv文件一帧一帧的读入，若是视频文件，就自动按帧取值直到最后一帧*/ while (fread(yuvBuf, 1, frameWidth * frameHeight * 1.5, yuvFile)) { if (YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, yuvBuf, rgbBuf, flip)) { printf("error"); return 0; } fwrite(rgbBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) * 3, rgbFile); } printf("\r...%d", ++videoFramesWritten); printf("\n%u %ux%u video frames written\n", videoFramesWritten, frameWidth, frameHeight); /* cleanup 释放所开辟的缓冲区 */ if (rgbFile) fclose(rgbFile); if (yuvFile) fclose(yuvFile); if (rgbBuf) free(rgbBuf); if (yuvBuf) free(yuvBuf); return(0); } yuv2rgb.cpp文件，代码如下： #include "stdlib.h" #include "yuv2rgb.h" //定义列表中变量存数更加方便 static float YUVRGB1402[256]; static float YUVRGB034414[256], YUVRGB071414[256]; static float YUVRGB1772[256]; int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *yuv, void *rgb_out, int flip) { static int init_done = 0; long i, j, size; unsigned char *r, *g, *b; //用于分别指向输出的rgb文件中的R、G、B三个部分 unsigned char *y, *u, *v; //用于分别指向读入的yuv文件中的Y、U、V三个部分 unsigned char *pu1, *pu2, *pv1, *pv2, *psu, *psv; //用于UV上采样的中间指针 unsigned char *rgb_buffer; //用于寄存输出rgb文件的缓冲区 unsigned char *sub_u_buf, *sub_v_buf; //用于寄存UV上采样后文件的缓冲区 float rj, gj, bj; //判断数据是否溢出的中间变量 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; //计算得到一帧图像的大小，便于确定之后开辟缓冲区的大小 // allocate memory rgb_buffer = (unsigned char *)rgb_out; //UV上采样后 大小和Y所占大小一样 sub_u_buf = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char)); sub_v_buf = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char)); y = (unsigned char *)yuv; u = y + size; v = u + size / 4; // uv上采样 for (j = 0; j < y_dim/2 ; j++) { psu = u + j * x_dim / 2; psv = v + j * x_dim / 2; pu1 = sub_u_buf + 2 * j * x_dim; pu2 = sub_u_buf + (2 * j + 1) * x_dim; pv1 = sub_v_buf + 2 * j * x_dim; pv2 = sub_v_buf + (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; } } //yuv转rgb b = rgb_buffer; for (i = 0; i < size; i++) { g = b + 1; r = b + 2; //bj,gj,rj 为中间变量，用于判断是否有数据溢出，将数据控制在0-255之间 bj = (*y + YUVRGB1772[*sub_u_buf ]); gj = (*y - YUVRGB034414[*sub_u_buf ] - YUVRGB071414[*sub_v_buf ]); rj = (*y + YUVRGB1402[*sub_v_buf ]); *b = (bj>0 ? (bj>255 ? 255 : (unsigned char)bj) : 0); *g = (gj>0 ? (gj>255 ? 255 : (unsigned char)gj) : 0); *r = (rj>0 ? (rj>255 ? 255 : (unsigned char)rj) : 0); b += 3; y++; sub_u_buf++; sub_v_buf++; } /* 注意：下面两行代码必不可少；因为前面开了sub_u_buf，sub_v_buf这两个空间 但在上面循环中，这两个指针不再是空间的开头，变为空间的最后一个元素， 如果要释放这两个空间，就必须使指针再重新指回空间的开头，因此下面两行就是该作用 */ sub_u_buf -= size; sub_v_buf -= size; if (sub_u_buf) free(sub_u_buf); if (sub_v_buf) free(sub_v_buf); return 0; } /* 以下为查找表，便于求得yuv转rgb的过程中所需要计算的参数 公式中UV为了使码电平维持在0-255间，因此都各自减去128，这个计算应放在查找表中进行， 而非在上述循环中进行，原因如下：以数组YUVRGB034414[x]为例， 该数组中x范围为0-255，而计算的值i-128可能不在该范围内， 若放在上面循环内进行，则系统会因为数据溢出而使计算后的值不对， 而放在查找表中，int i 可以确保数值的正确性 */ void InitLookupTable() { int i; for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB1402[i] = (float)1.402 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB034414[i] = (float)0.34414 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB071414[i] = (float)0.71414 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB1772[i] = (float)1.772 * (i-128); }

yuv2rgb.h文件，代码如下：

#ifndef YUV2RGB_H_ #define YUV2RGB_H_ int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *yuv, void *rgb_out, int flip); void InitLookupTable(); #endif

四、实验结果及分析

（1）完成后结果

（以下yuv文件在  http://trace.eas.asu.edu/yuv/index.html  网站上下载）

1、以down.yuv为例

当程序能够成功运行后，会跳出下图所示命令框，其中有一些参数细节，包括输入输出文件名，图像的长宽情况

用yuv播放器打开后如下所示细节： 

左边为原始yuv图像，右边为经过yuv2rgb以及rgb2yuv的验证图像（以下四幅图均如此放置）

下图为上图中蓝色方框内的yuv细节信息

2、

3、

4、

通过四张图像的前后对比，可以看到YUV三个变量都有些许差别，是算法中的一些误差所导致的

误差总结如下：

1、在数据类型转换的时候会出现误差，如将float型强制转换为unsigned char型等

2、在uv分量上采样以及下采样过程中的一些计算误差

3、在rgb与yuv之间相互转换的公式在来回运算中出现了计算误差

但整体图像在人眼角度观察并没有太大的差错，因此可以大致认为两幅图是一样的

（2）完成前的一系列设置及出错问题及原因

1、关于参数设置

在项目属性中进行设置，命令参数中分别填入输入文件，输出文件，宽，高并以空格间隔

在工作目录中填入存放输入输出文件的地址

2、关于vs2013版fopen函数的设置

同样在项目属性当中进行如下设置：

3、算法错误1：转换公式中数据类型没有考虑严密（具体原因在代码中进行了解释）

原代码：在循环中对数组进行了128的转换

下图为错误代码产生的图像

下图为纠正后的代码：在查找表中进行对128的计算

4、算法错误2：因为指针指向问题，导致开的malloc空间没有释放完全（具体解释在代码中）

下图为错误提示：

下图为纠正后的代码

 

五、结论

掌握了函数定义，部分查找表的初始化和调用，缓冲区的分配，并且懂得了rgb与yuv之间在代码实现中的转换公式

并且着重的认识到数据类型转换在代码中是需要重点注意的