数据压缩原理与应用 彩色空间转换RGB2YUV

1.实验内容

YUV文件格式

分为三个分量，“Y”表示明亮度，也就是灰度值，而“U”和“V” 表示的则是色度，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。 本实验中YUV文件采用取样格式是4：2：0，即为U、V两个色差信号地取样频率是Y亮度信号的1/4，水平和垂直方向的取样点数均为Y的1/2。 而RGB取样格式为4：4：4，所以将YUV文件转换成RGB，要将U和V进行变化，即取样点数和Y一样可以一一对应进行计算。

YUV和RGB转换的计算公式

原始公式 Y=0.30 * R+0.59 * G+0.11 * B U=0.493 * (B－Y) V=0.877 * (R－Y) 由Cr=0.713 * (R-Y) Cb=0.564 *（B-Y） 然后再进行归一化处理，即将两个色差信号电平控制在-0.5~0.5，零电平对应128的码电平 U=Cr+128 V=Cb+128 再结合原始公式得出结果 R = Y + 1.4075 *（V-128） G = Y – 0.3455 （U –128） – 0.7169 （V –128) B = Y + 1.779 *（U – 128）

YUV和RGB的存储方式

YUV是按帧存储，即先存储一帧的Y，再存储U和V。而RGB是按像素存储，即存储每个像素的R，G，B，需要3倍的存储空间。 图片链接

带参数的主函数传递参数的方式

在Visual studio的开发环境下，打开项目属性，在配置属性->调试中更改工作目录和命令参数，其中命令参数根据自己定义的手动输入。

实验中可能出现的错误

实验中很可能得到经过将此转换的yuv文件出现红色或者蓝色的区域，这是由于由初始yuv文件计算得到的rgb值，而RGB为8bit量化，得到的值可能会超过0-255的范围，造成溢出，所以会定义临时变量r_temp，g_temp，b_temp，判断范围后再赋给r、g、b。

2.实验流程分析

1.程序初始化（打开两个文件、定义变量和缓冲区等） 2.读取YUV文件，抽取YUV数据写入缓冲区 3.调用YUV2RGB的函数实现YUV到RGB的转换 4.写RGB文件 5.程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

3.代码分析

main.cpp（部分代码）

while (fread(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight, yuvFile) && fread(uBuf, 1, frameWidth * frameHeight / 4, yuvFile) && fread(vBuf, 1, frameWidth * frameHeight / 4, yuvFile)) /*读取文件，若读取成功，则返回yuv文件中的可读取的数据个数。在随后的测试中，读取的yuv是视频文件，因为用了while循环，可以不断的读取下一个数据，所以返回了yuv视频文件中的帧数。文件被读取完结束循环，返回0。*/ { if (YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, 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);/*从后来的测试结果可以看出videoFrameWritten表示文件的数据项个数，图像为1，视频为其帧数*/ /*clean up*/ if(rgbFile != NULL) fclose(rgbFile); if(rgbBuf != NULL) free(rgbBuf); if(yuvFile != NULL) fclose(yuvFile); if(yBuf != NULL) free(yBuf); if(uBuf != NULL) free(uBuf); if(vBuf != NULL) free(vBuf);

yuv2rgb.cpp（部分代码）

static float YUVRGB14075[256]; static float YUVRGB03455[256], YUVRGB07169[256]; static float YUVRGB17790[256]; int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *bmp, 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; unsigned char *y_buffer, *u_buffer, *v_buffer; float r_temp, g_temp, b_temp;//设置临时变量，防止溢出 if (init_done == 0) { InitLookupTable(); init_done = 1; } if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1; size = x_dim * y_dim; // allocate memory y_buffer = (unsigned char *)y_in; u_buffer = (unsigned char *)u_in; v_buffer = (unsigned char *)v_in; 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; if (!flip) { /*flip变量实现倒序，暂时未用到*/ } else { for (j = 0; j < y_dim; j++) { for (i = 0; i < x_dim; i++) { g = b + 1; r = b + 2;//bgr的顺序排放 r_temp = (*y) + YUVRGB14075[*v]; g_temp = (*y) - YUVRGB03455[*u] - YUVRGB07169[*v]; b_temp = (*y) + YUVRGB17790[*u]; if (r_temp < 0) r_temp = 0; if (r_temp > 255) r_temp = 255; if (g_temp < 0) g_temp = 0; if (g_temp > 255) g_temp = 255; if (b_temp < 0) b_temp = 0; if (b_temp > 255) b_temp = 255; *r = (unsigned char)r_temp; *g = (unsigned char)g_temp; *b = (unsigned char)b_temp; //防止溢出 b += 3; y++; u = u_buffer + j / 2 * x_dim / 2 + i /2 ; v = v_buffer + j / 2 * x_dim / 2 + i / 2; /*上变换的思路：没有采用用u/v填补为对应部分，而是只用u/v进行计算，在计算完一个值后，y直接加一，进行下一步计算，u/v进行跳转，而跳转的距离是y的一半，所以是x_dim/2。 if(j%2==0){ if (i % 2 == 0) { u = u_buffer + j / 2 * x_dim / 2 + i / 2; v = v_buffer + j / 2 * x_dim / 2 + i / 2; } else { u = u_buffer + j / 2 * x_dim / 2 + (i-1) / 2; v = v_buffer + j / 2 * x_dim / 2 + (i-1) / 2; } } else { if (i % 2 == 0) { u = u_buffer + (j-1) / 2 * x_dim / 2 + i / 2; v = v_buffer + (j-10 / 2 * x_dim / 2 + i / 2; } else { u = u_buffer + (j-1) / 2 * x_dim / 2 + (i - 1) / 2; v = v_buffer + (j-1) / 2 * x_dim / 2 + (i - 1) / 2; } } 以上是刚开始写的时候的程序，因为过于繁琐，而i,j是int型变量，做除法后会取整，所以简化*/ } } /* free(u_buffer); free(v_buffer);一开始没有注意， 运行过程中出错，经过逐步调试，并在该处出现断点，然后发现并没有开拓u_buffer,v_buffer的空间，不需要free这块空间*/ } 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++) 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++) YUVRGB17790[i] = (float)1.779 * (i-128); }//查找表法，在查找表中减去128，一是为了计算方便，二是以防止在整体计算时超出范围，保证U/V的范围在-128-127。

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4.实验结果

图为转换两次的yuv文件，以及没有限制溢出的yuv文件，可以很明显看出右侧的红色区域和蓝色区域。 选取了几个较为明显的部分的宏块进行对比，三个文件分别是原始的yuv，有溢出的yuv，转换两次的yuv。

实验的工程共有3个，两个cpp文件，一个头文件，因为两个cpp文件都有调用头文件，所以在修改函数的时候，需要相互对应以防产生错误。以下是函数内的参数没有对应出现的结果

另外三组对比试验，可以证明该程序的准确性，图左侧为转换后的yuv，右侧为原始的yuv bus.yuv coastguard.yuv waterfall.yuv