彩色空间转换----YUV2RGB

1．彩色空间转换的基本思想及转换公式

（1）YUV与RGB空间的相互转换

              由电视原理可知，亮度和色差信号的构成如下：       Y＝0.2990R+0.5870G+0.1140B       R-Y＝0.7010R-0.5870G-0.1140B       B-Y＝-0.2990R-0.5870G+0.8860B

             为了使色差信号的动态范围控制在0.5之间，需要进行归一化，对色差信号引入压缩系数。归一化后的色差信号为：

      U＝-0.1684R-0.3316G+0.5B       V＝0.5R-0.4187G-0.0813B       由RGB转YUV的公式可推出YUV转RGB的公式如下，        R = Y + 1.4075(V - 128)        G = Y -  0.3455(U - 128) - 0.7169(V - 128)        B = Y + 1.779(U - 128)

（2） 码电平分配及数字表达式 

        亮电平信号量化后码电平分配在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔的量化级。为了防止信号变动造成过载，在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。       色差信号量化后码电平分配色差信号经过归一化处理后，动态范围为-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。故在YUV转RGB时，UV分量需要先减去128。

（3）色度格式

         4:2:0格式是指色差信号U，V的取样频率为亮度信号取样频率的四分之一，在水平方向和垂直方向上的取样点数均为Y的一半，故UV分量分别所占的空间为Y的1/4。

（4）存储的排列方式

      在4:2:0 的色度格式下,

     RGB文件的排列顺序为

          b1g1r1, b2g2r2,b3g3r3,b4g4r4,......

     YUV文件的排列顺序为          Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，.........          U1，U2，U3，U4，.......          V1，V2，V3，V4，........

 2.  实验流程 

      （1） 程序初始化

               打开两个文件test.tuv和test.rgb；

               定义变量包括指向输入输出文件的文件指针、图片的宽和高等；

               开辟4个缓冲区；

    （2） 读取YUV文件，抽取YUV数据分别写入缓冲区y_buf、u_buf、v_buf；

    （3） 调用YUV2RGB的函数实现YUV到RGB数据的转换,并将数据写入缓冲区rgb_buf；

    （4） 将rgb_buf中的数据写入RGB文件；

    （5） 程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）；

    （6） 将得到的rgb文件通过rgb2yuv程序得到新的yuv文件，用yuvplayer打开，与原始的yuv文件进行对比。

 3.  关键代码分析

    yuv2rgb.h #ifndef YUV2RGB_H_ #define YUV2RGB_H_ int YUV2RGB (int x_dim, int y_dim,void *y_in, void *u_in, void *v_in,void *bmp, int flip); void InitLookupTable(); #endif   main.cpp #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <malloc.h> #include "yuv2rgb.h" /* 为防止不同计算机软件对int分配字节的不同，这里做统一的定义*/ #define u_int8_t unsigned __int8 #define u_int unsigned __int32 #define u_int32_t unsigned __int32 #define FALSE false #define TRUE true 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 */ //argv[0]是当前执行的exe文件名,其中包含该文件的路径名 yuvFileName = argv[1]; rgbFileName = argv[2]; frameWidth = atoi(argv[3]);/* 这里由于argv[3]和argv[4]中的数据以字符串类型存储，需要引用atoi函数，将字符串强制转换为整型 */ frameHeight = atoi(argv[4]); /*int main(int argc, char** argv) 调用：命令名 参数1 参数2 ......参数n; argc= n+1; argv[0]自动指向当前执行的程序的全路径名 */ /* 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 RGB 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 the input 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); /* get an output buffer for a frame */ rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3); 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)) { if(YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, yBuf, uBuf, vBuf, 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 */ free(rgbBuf); free(yBuf); free(uBuf); free(vBuf); fclose(rgbFile); fclose(yuvFile); return(0); }    yuv2rgb.cpp #include "stdlib.h" #include "yuv2rgb.h" static float YUVRGB14075[256]; static float YUVRGB034455[256], YUVRGB07169[256]; static float YUVRGB1779[256]; int YUV2RGB (int x_dim, int y_dim,void *y_in, void *u_in, void *v_in,void *bmp, int flip) { static int init_done = 0; long i, j, size; unsigned char *r, *g, *b; unsigned char *y, *u, *v; unsigned char *pu1, *pu2, *pv1, *pv2, *psu, *psv; unsigned char *y_buffer, *u_buffer, *v_buffer; unsigned char *sub_u_buf, *sub_v_buf; float psr,psg,psb; 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; 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)); v_buffer = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char)); //将U, V扩充之后，U,V所占的空间大小与Y相同 if (!(u_buffer && v_buffer)) { if (u_buffer) free(u_buffer); if (v_buffer) free(v_buffer); return 2; } b = (unsigned char *)bmp; y = y_buffer; u = u_buffer; v = v_buffer; // exspand UV for (j = 0; j < y_dim/2; j ++) { psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2;//sub_u_buf是指向输入u_in的指针，psu指向输入的每一行 psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2; pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim;// pu1指向u_buffer的奇数行 pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;//pu2指向u_buffer的偶数行 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;//将输入的一个像素的U以田字格形式赋给输出中的4个像素点 *pv1 = *psv ; *(pv1+1) = *psv; *pv2 = *psv ; *(pv2+1) = *psv; psu ++; psv ++; pu1 += 2; pu2 += 2; pv1 += 2; pv2 += 2; } } // convert YUV to RGB for (j = 0; j < size; j++) { g = b + 1; r = b + 2; psr = *y+YUVRGB14075[*v]; if(psr > 255) psr = 255; if(psr <0) psr = 0; *r = (unsigned char)psr; psg = *y-YUVRGB034455[*u]-YUVRGB07169[*v]; if(psg > 255) psg = 255; if(psg <0) psg = 0; *g = (unsigned char)psg; psb = *y+YUVRGB1779[*u]; if(psb > 255) psb = 255; if(psb <0) psb = 0; *b = (unsigned char)psb; b += 3; y ++; u ++; v ++; } /*unsigned char 的数据范围是0--255，如果公式右边的计算结果越界，产生的图片就会发生错误。 在这里设置了三个中间变量,先对公式的结果进行判断，再进行数据赋值*/ free(u_buffer); free(v_buffer); //每一个malloc对应一个free return 0; } void InitLookupTable() { int i; for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB14075[i] = (float)1.4075 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB034455[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)1.779 * (i-128); } //部分查找表法，将公式简化,提高运行效率

 4.  实验结果及分析

       problem：      在设置中间变量判断公式计算结果在0到255之前，公式计算的结果产生越界，文件显示如下，产生很多红色小块                           改进上述问题之后，这里选取了3份图片为例，左图为原始的YUV文件，右图为经过yuv->rgb->yuv两重变换之后得到的YUV文件，经对比变换之后的图片与原文件视觉上没有太大差别。

  example1 

    example2

   example3   

    example4   

5.结论

         通过实验结果的分析可知，程序可成功将yuv文件转换为rgb文件，并且变换前后在视觉上没有太大差异。

6.总结

 （1）  掌握文件的打开、关闭、读写和定位；   （2） 设置可执行文件的命令参数和工作目录                 打开项目属性--->配置属性---->调试----->命令行参数依次为：参数1 参数2 参数3 参数4 ...... ,                               该实验中，工作目录必须填写输入文件test1.yuv所在的地址，否则无法打开文件,参数3和4也要与yuv文件的宽和高相匹配；         (3)学会建立动态数组以及指针的运用，包括头文件<malloc.h>的设置，空间的申请malloc()，赋值和空间回收free(); (4)学会使用部分查找表法，提高运行效率； (5)每种数据类型都有数据范围，要避免越界； (6)程序调试，逻辑错误的查找。