BMP文件转换为YUV文件
实验要求
将RGB文件转换为YUV文件
为了实现这一目标（添加个人水印标记），将BMP格式图像转换成相应的YUV格式，并且生成相应的YUV格式视频流（包含200帧画面），该视频流能够被播放设备查看。
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BMP文件，抽取或生成RGB数据写入缓冲区
- 解析位图文件头以确定其能否成功解码以及识别其类型（如BMP格式）
- 解析位图信息头以确认数据完整性
- 分析图像分辨率以计算实际像素排列
- 为后续处理分配足够的内存空间，并按逆序顺序加载图像数据块
- 依据每个像素所承载的信息量调整处理策略
8bit以下: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
24/32bit:直接取像素数据写RGB缓冲区
3.调用RGB2YUV的函数实现RGB到YUV数据的转换
4.写YUV文件
5.程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）
实验原理
BMP文件格式
bitmap files被称为Bitmap-File缩写形式BMP, 在Windows环境下广泛使用的图像处理软件均支持这一存储格式. 通常情况下,BMP位图文件会采用bmp或dib作为其文件扩展名.
| 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
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*//*注意此处的字节序问题
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量*/
} BITMAPFILEHEADER;位图信息头BITMAPINFOHEADER
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速*/
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的biBitCount次方*/
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
本质上说它就是一个数组。具体来说，这个数组所包含的元素数量正好等于位图中所具有的颜色数目，并且这个数值是由biClrUsed和biBitCount这两个字段共同决定的。在该数组中每一个具体的元素都采用了RGBQUAD类型的结构来表示颜色信息。特别地，在这种情况下其真彩色部分是没有调色板的部分呈现出来的。
这部分内容是可以省略的，在大多数情况下处理普通分辨率和分辨率较低的图像时会遇到这种情况。通常来说，在处理这类图像时会涉及颜色调整操作。然而，在某些特定情况下（例如常见的24位BMP图像），则无需进行颜色调整
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;位图数据
该部分的内容根据BMP bitmap所使用的比特深度不同而有所差异，在应用上存在明显的区别性表现：对于24-bit bitmap来说，在实现上可以直接采用RGB模型；而对于小于24-bit的情况，则通常会通过调色板中的颜色索引来表示各像素的颜色值。
紧随调色板之后的是图像数据的字节数组。对于使用调色板处理的位图来说，在此过程中得到的数据对应于该像素在调色板中的索引位置（即所谓的逻辑色彩）。而对于真彩色图像而言，则直接包含了R、G、B三个通道的实际数值信息。每个扫描行由多个连续存储着像素信息的字节构成，在这种情况下每一行所包含的具体字节数取决于原始图片的颜色深度以及单个像素所占用的空间宽度。为了符合系统的要求，在内存中处理这些扫描行时必须保证其长度是4个整除单位（即DWORD对齐），这样可以避免潜在的数据混乱和读取错误问题。值得注意的是这些扫描行是以自底向上的顺序进行存储操作这意味着位于数组最前端的第一个字节通常表示图片左下角的那个像素点而最后一个字节则对应图片右上角的那个像素点
字节序
不同的计算机系统运用不同的数据存储方式来处理信息。对于一个具有相同属性的4-byte 32-bit整数值，在不同系统中的表示形式存在差异。这些数据顺序主要分为两种类型：小尾端（Little Endian）和大尾端（Big Endian）。其中大多数Intel处理器采用了小尾端架构（Little Endian），而大多数Motorola处理器则采用了大尾端架构（Big Endian）。
小端存储中是将最低有效位依次排列于内存的低端区域中；而大端存储则是将最高有效位依次排列于内存的低端区域中。按照这种"高低位位置颠倒"的方式组织数据的大端存储方式，在数据传输过程中能更好地保证数据完整性。
按照这种"高低位位置颠倒"的方式组织数据的大端存储方式，在数据传输过程中能更好地保证数据完整性。
编写BMP文件头信息的插入与提取操作时，应特别注意整数存储中的字节顺序。比如，在进行相关操作之前，请确保所处理的数据遵循Intel字节顺序进行存储。为确保编码正确性，在开始编写程序之前，请使用二进制模式查看BMP文件各组成部分的数据布局。
RGB和YUV的转换
RGB图像存储：444格式，按照BGRBGR存储
在YUV图像编码中，420格式指的是色差信号U和V在水平和垂直方向上的取样点数均为主色调信号（即Y分量）的一半。编码过程中通常会先按顺序存储主色调信息（即Y分量），而后则按顺序存储次色调信息（即U、V分量）。
转换公式：
实验过程
本次实验选取5个BMP文件，各重复40次，共200帧。
查看图像属性格式
程序
命令行参数
头文件
#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<string.h>
#include<stdio.h>
#include<windows.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <fstream>
#include <iostream>
int rgb2yuv(int width, int heigth, unsigned char* rgb, unsigned char* y, unsigned char* u, unsigned char* v);
void InitLookupTable();主函数
#include<windows.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include <iostream>
#include"head.h"
using namespace std;
int main(char argc, char* argv[])
{
BITMAPFILEHEADER File_header;
BITMAPINFOHEADER Info_header;
FILE* bmpFile = NULL;
FILE* yuvFile = NULL;
yuvFile = fopen(argv[6], "wb");
for (int n = 1; n < 6; n++)
{
bmpFile = fopen(argv[n], "rb");
if (bmpFile == NULL)
{
cout <<< "bmp文件打开失败" << endl;
return 0;
}
fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile);
fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile);
if (File_header.bfType != 0x4D42) {
cout << n << "文件不是bmp格式" << endl;
return 0;
}
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;
height = h;
unsigned char* bmp_rgb = (unsigned char*)malloc(width * height);
unsigned char* rgb = (unsigned char*)malloc(width * height);
fseek(bmpFile, File_header.bfOffBits, 0);
if (fread(bmp_rgb, width * height, 1, bmpFile) == 0)
{
printf("read file error!\n\n");
return 0;
}
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);
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);
int time = atoi(argv[n + 6]);
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);
}
fclose(yuvFile);
}rgb2yuv
#include "stdlib.h"
#include "head.h"
static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256], RGBYUV05000[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];
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;
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++;
}
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);
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;
}
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;
}实验结果
播放软件参数参考bmp文件格式大小，bmp文件序列的格式大小要一致 。
