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数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

程序员文章站 2022-07-14 22:04:38
...

实验一：

  • 编写RGB转化为YUV程序，重点掌握函数定义，部分查找表的初始化和调用，缓冲区分配。将得到的RGB文件转换为YUV文件，用YUV Viewer播放器观看，验证是否正确。

  • 编写将YUV转换为RGB的程序。将给定的实验数据用该程序转换为RGB文件。并与原

    RGB文件进行比较，如果有误差，分析误差来自何处。

文章目录

（一）YUV和RGB的转换公式及文件存储格式

R=(298×Y+411×V−57344)>>8G=(298×Y−101×U−211×V+34739)>>8B=(298×Y+519×U−71117)>>8Y=(66×R+129×G+25×B)>>8+16U=(−38×R−74×G+112×B)>>8+128V=(112×R−94×G−18×B)>>8+128 \begin{aligned} &R=(298\times Y+411\times V-57344)>>8\\ &G=(298\times Y-101\times U-211\times V+34739)>>8\\ &B=(298\times Y+519\times U-71117)>>8\\ &Y=(66\times R+129\times G+25\times B)>>8+16\\ &U=(-38\times R-74\times G+112\times B)>>8+128\\ &V=(112\times R-94\times G-18\times B)>>8+128 \end{aligned}

  以上公式是已经量化过的公式。

  查阅资料可知，RGBRGB文件的存储格式为BGRBGRBGR⋯BGR BGR BGR\cdots,YUVYUV文件的存储格式为先存全部的YY,再存全部的UU,最后存全部的VV。

（二）main函数的命令行参数

2.1 表示方法

  一个程序的main()main()函数可以包含两个参数：

  • 第一个参数为intint类型；
  • 第二个参数为字符串数组；

  通常情况下，将第一个参数命名为argcargc,第二个参数为argvargv。由于字符串数组在函数头中的声明可以有两种形式，所以main()main()函数也有两种写法。

  1. main()main()函数写法一：

    int main(int argc, char** argv)
{
    return 0;
}

  2. main()main()函数写法二：

    int main(int argc, char* argv[])
{
    return 0;
}

2.2 使用方法

  • 参数的含义：

      int argc​：表示字符串的数量。argc = 1 + 用户输入的字符串数目，argc的值由操作系统自动完成计算，程序员不需要对其进行赋值。

      char argv[]*:存放的是多个字符串，字符串的形式如下：

    argv[0] = 可执行文件的名称。例如change.exe。（这个字符串不需要用户输入，与argc相同，操作系统可自动生成。

    argv[1] = 字符串1

    argv[2] = 字符串2

    argv[3] = 字符串3

    ​ ⋮\vdots

  • 编程模式下如何进行参数输入？

  使用平台为VisualStudio2019Visual Studio 2019，需要使用的文件为down.rgbdown.rgb,需要生成的文件为up.yuv,cho.rgbup.yuv,cho.rgb,参数输入的步骤如下图流程所示：

1.打开上方任务栏调试界面的属性窗口 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）
2.选择配置属性中的调试 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）
3.按照要求修改命令参数 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

（三）彩色空间转换（不采样）代码初步实现

  由上述知识，可以轻易地进行彩色空间转换的初步实现。代码由头文件rgb2yuv.h,yuv2rgb.hrgb2yuv.h,yuv2rgb.h和源文件main.cpp,rgb2yuv.cpp,yuv2rgb.cppmain.cpp,rgb2yuv.cpp,yuv2rgb.cpp组成。

  解决方案资源管理器如下图所示：

数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

  实验代码如下：

main.cpp

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <fstream>
#include "rgb2yuv.h"
#include "yuv2rgb.h"
using namespace std;

#define size 196608
#define usize 65536
#define vsize 131072
using namespace std;

int main(int argc, char** argv)
{
	ifstream infile(argv[1],ios::binary);
	ofstream outYUV(argv[2], ios::binary);
	ofstream outRGB(argv[3], ios::binary);
	if (!infile) { cout << "error to open file1!" << endl; }
	if (!outYUV) { cout << "error to open file2" << endl; }
	if (!outRGB) { cout << "error to open file3" << endl; }

	unsigned char* in = new unsigned char[size];
	unsigned char* YUV = new unsigned char[size];
	unsigned char* RGB = new unsigned char[size];

	infile.read((char*)in, size);
	rgb2yuv(in,YUV,size, usize, vsize);//第一次转换
	yuv2rgb(YUV, RGB, usize, vsize);//第二次转换

	/*for (int i = 0; i < size; i++)
	{
		if (abs(in[i] - RGB[i]) > 5)
			cout << "i=" << i << " in[" << i << "]=" << int(in[i]) << " RGB[" << i << "]=" << int(RGB[i]) << endl;
	}*/
	outYUV.write((char*)YUV, size);
	outRGB.write((char*)RGB, size);
	delete in;
	delete YUV;
	delete RGB;
	infile.close();
	outYUV.close();
	outRGB.close();

	return 0;
}

rgb2yuv.h

#pragma once
void rgb2yuv(unsigned char* rgb, unsigned char* yuv, int size,int usize,int vsize);

rgb2yuv.cpp

void rgb2yuv(unsigned char* rgb, unsigned char* yuv,int size,int usize,int vsize)
{
	unsigned char r, g, b, y, u, v;
	int j = 0;
	for (int i = 0;i < size;)
	{
		b = *(rgb + i);
		g = *(rgb + i + 1);
		r = *(rgb + i + 2);
		y = ((66 * r + 129 * g + 25 * b) >> 8) + 16;
		u = ((-38 * r - 74 * g + 112 * b) >> 8) + 128;
		v = ((112 * r - 94 * g - 18 * b) >> 8) + 128;
		*(yuv + j) = y;
		*(yuv + j + usize) = u;
		*(yuv + j + vsize) = v;
		i = i + 3;//每个rgb为1组
		j++;
	}
}

yuv2rgb.h

#pragma once
void yuv2rgb(unsigned char* yuv, unsigned char* rgb,int usize,int vsize);

yuv2rgb.cpp

#pragma once
#include "yuv2rgb.h"
#include <iostream>
using namespace std;
void yuv2rgb(unsigned char* yuv, unsigned char* rgb,int usize,int vsize)
{
	unsigned char r, g, b, y, u, v;
	int j = 0;
	for (int i = 0; i < usize; i++)
	{
		y = *(yuv + i);
		u = *(yuv + i + usize);
		v = *(yuv + i + vsize);
		r = (298 * y + 411 * v - 57344) >> 8;
		g = (298 * y - 101 * u - 211 * v + 34739) >> 8;
		b = (298 * y + 519 * u - 71117) >> 8;
		*(rgb + j) = b;
		*(rgb + j + 1) = g;
		*(rgb + j + 2) = r;
		j = j + 3;
	}
}

实验结果

down.rgb up.yuv cho.rgb
数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版） 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版） 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

  其中，down.rgbdown.rgb和cho.rgbcho.rgb使用YUVviewerPlusYUVviewerPlus打开的打开方式为：

数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

  打开的图像是倒置的图像（由于bmpbmp图像格式是倒着存储的，所以.rgb.rgb图像用bmpbmp方式打开时会倒）。上述表格中的图片为了便于分辨，已经用微信进行过旋转，但是YUVYUV文件和RGBRGB文件之间依然有镜像的翻转，不过不影响观看与比对。

  up.yuvup.yuv使用YUVviewerPlusYUVviewerPlus打开的方式为：

数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

  由三幅图像的对比图可知，RGBtoYUVRGB to YUV的实验成功完成，而YUVtoRGBYUVtoRGB的实验有一点问题，转出的cho.rgbcho.rgb图像中有较多红色的杂点。

（四）实验错误原因分析及代码修改

错误修改

  推断可得，在进行YUVtoRGBYUVtoRGB的转换时，得到的RGBRGB三个数据可能超过了unsigned charunsigned\ char类型可以表示的范围，即可能<0<0或者>255>255。

  因此需要对yuv2rgb.cppyuv2rgb.cpp文件进行适当的修正，>255>255的值都直接=255=255,<0<0的值都直接=0=0。

  修改后yuv2rgb.cppyuv2rgb.cpp的如下:

#pragma once
#include "yuv2rgb.h"
#include <iostream>
using namespace std;
void yuv2rgb(unsigned char* yuv, unsigned char* rgb,int usize,int vsize)
{
	int r, g, b, y, u, v;
	int j = 0;
	for (int i = 0; i < usize; i++)
	{
		y = int(*(yuv + i));
		u = int(*(yuv + i + usize));
		v = int(*(yuv + i + vsize));
		r = (298 * y + 411 * v - 57344) >> 8;
		if (r > 255) { r = 255; }
		if (r < 0) { r = 0; }
		g = (298 * y - 101 * u - 211 * v + 34739) >> 8;
		if (g > 255) { g = 255; }
		if (g < 0) { g = 0; }
		b = (298 * y + 519 * u - 71117) >> 8;
		if (b > 255) { b = 255; }
		if (b < 0) { b = 0; }
		*(rgb + j) = unsigned char(b);
		*(rgb + j + 1) = unsigned char(g);
		*(rgb + j + 2) = unsigned char(r);
		j = j + 3;
	}
}

实验结果

down.rgb up.yuv cho.rgb
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  至此，差不多完成了RGBtoYUVRGB to YUV和YUVtoRGBYUVtoRGB两个实验。

（五）优化代码（使用查找表的方法）

  利用查找表，对代码进行了优化。代码由头文件yuvrgb.hyuvrgb.h和源文件main.cpp,yuvrgb.cppmain.cpp,yuvrgb.cpp组成。

  解决方案资源管理器如下图所示：

数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

main.cpp

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <fstream>
#include "yuvrgb.h"
using namespace std;

#define size 196608
#define usize 65536
#define vsize 131072
#define height 256
#define weight 256

//查找表初始化
int* RGBYUV298 = new int[256];
int* RGBYUV411 = new int[256];
int* RGBYUV101 = new int[256];
int* RGBYUV211 = new int[256];
int* RGBYUV519 = new int[256];
int* RGBYUV66 = new int[256];
int* RGBYUV129 = new int[256];
int* RGBYUV25 = new int[256];
int* RGBYUV38 = new int[256];
int* RGBYUV74 = new int[256];
int* RGBYUV112 = new int[256];
int* RGBYUV94 = new int[256];
int* RGBYUV18 = new int[256];

int main(int argc, char** argv)
{
	initLookupTable();

	ifstream infile(argv[1],ios::binary);
	ofstream outYUV(argv[2], ios::binary);
	ofstream outRGB(argv[3], ios::binary);
	if (!infile) { cout << "error to open file1!" << endl; }
	if (!outYUV) { cout << "error to open file2" << endl; }
	if (!outRGB) { cout << "error to open file3" << endl; }

	unsigned char* infi = new unsigned char[size];
	unsigned char* YUVfi = new unsigned char[size];
	unsigned char* RGBfi = new unsigned char[size];

	infile.read((char*)infi, size);	
	rgb2yuv(infi, YUVfi, size, usize, vsize);
	yuv2rgb(YUVfi, RGBfi, usize, vsize);
	outYUV.write((char*)YUVfi, size);
	outRGB.write((char*)RGBfi, size);
	
	fileend(infi,YUVfi,RGBfi);

	infile.close();
	outYUV.close();
	outRGB.close();

	return 0;
}

yuvrgb.h

#pragma once
void yuv2rgb(unsigned char* yuv, unsigned char* rgb,int usize,int vsize);
void rgb2yuv(unsigned char* rgb, unsigned char* yuv, int size, int usize, int vsize);
void initLookupTable();
void fileend(unsigned char* infi, unsigned char* YUVfi, unsigned char* RGBfi);

yuvrgb.cpp

#pragma once
#include "yuvrgb.h"
#include <iostream>
using namespace std;

extern int* RGBYUV298;
extern int* RGBYUV411;
extern int* RGBYUV101;
extern int* RGBYUV211;
extern int* RGBYUV519;
extern int* RGBYUV66 ;
extern int* RGBYUV129;
extern int* RGBYUV25 ;
extern int* RGBYUV38 ;
extern int* RGBYUV74 ;
extern int* RGBYUV112;
extern int* RGBYUV94 ;
extern int* RGBYUV18 ;

void initLookupTable()
{
	for (int i = 0; i < 256; i++)
	{
		RGBYUV298[i] = 298 * i;
		RGBYUV411[i] = 411 * i;
		RGBYUV101[i] = 101 * i;
		RGBYUV211[i] = 211 * i;
		RGBYUV519[i] = 519 * i;
		RGBYUV66[i] = 66 * i;
		RGBYUV129[i] = 129 * i;
		RGBYUV25[i] = 25 * i;
		RGBYUV38[i] = 38 * i;
		RGBYUV74[i] = 74 * i;
		RGBYUV112[i] = 112 * i;
		RGBYUV94[i] = 94 * i;
		RGBYUV18[i] = 18 * i;
	}
}
void yuv2rgb(unsigned char* yuv, unsigned char* rgb,int usize,int vsize)
{
	int r, g, b, y, u, v;
	int j = 0;
	for (int i = 0; i < usize; i++)
	{
		y = int(*(yuv + i));
		u = int(*(yuv + i + usize));
		v = int(*(yuv + i + vsize));
		/*r = (298 * y + 411 * v - 57344) >> 8;*/
		r = (RGBYUV298[y]+ RGBYUV411[v]-57344)>>8;
		if (r > 255) { r = 255; }
		if (r < 0) { r = 0; }
		/*g = (298 * y - 101 * u - 211 * v + 34739) >> 8;*/
		g = (RGBYUV298[y] - RGBYUV101[u] - RGBYUV211[v] + 34739) >> 8;
		if (g > 255) { g = 255; }
		if (g < 0) { g = 0; }
		/*b = (298 * y + 519 * u - 71117) >> 8;*/
		b = (RGBYUV298[y] + RGBYUV519[u] - 71117) >> 8;
		if (b > 255) { b = 255; }
		if (b < 0) { b = 0; }
		*(rgb + j) = unsigned char(b);
		*(rgb + j + 1) = unsigned char(g);
		*(rgb + j + 2) = unsigned char(r);
		j = j + 3;
	}
}

void rgb2yuv(unsigned char* rgb, unsigned char* yuv, int size, int usize, int vsize)
{
	int r, g, b, y, u, v;
	int j = 0;
	for (int i = 0; i < size;)
	{
		b = int(*(rgb + i));
		g = int(*(rgb + i + 1));
		r = int(*(rgb + i + 2));
		/*y = ((66 * r + 129 * g + 25 * b) >> 8) + 16;*/
		y = ((RGBYUV66[r] + RGBYUV129[g] + RGBYUV25[b]) >> 8) + 16;
		/*u = ((-38 * r - 74 * g + 112 * b) >> 8) + 128;*/
		u = ((-RGBYUV38[r] - RGBYUV74[g] + RGBYUV112[b]) >> 8) + 128;
		/*v = ((112 * r - 94 * g - 18 * b) >> 8) + 128;*/
		v = ((RGBYUV112[r] - RGBYUV94[g] - RGBYUV18[b]) >> 8) + 128;
		/*if ((y > 255) || (u > 255) || (v > 255) || (y < 0) || (u < 0) || (v < 0))
		{
			cout << "y=" << y << "u=" << u << "v=" << v << endl;
		}*/
		*(yuv + j) = unsigned char(y);
		*(yuv + j + usize) = unsigned char(u);
		*(yuv + j + vsize) = unsigned char(v);
		i = i + 3;//每个rgb为1组
		j++;
	}
}

void fileend(unsigned char* infi, unsigned char* YUVfi, unsigned char* RGBfi)
{
	delete infi;
	delete YUVfi;
	delete RGBfi;
	delete	RGBYUV298;
	delete	RGBYUV411;
	delete	RGBYUV101;
	delete	RGBYUV211;
	delete	RGBYUV519;
	delete	RGBYUV66;
	delete	RGBYUV129;
	delete	RGBYUV25;
	delete	RGBYUV38;
	delete	RGBYUV74;
	delete	RGBYUV112;
	delete	RGBYUV94;
	delete	RGBYUV18;
}

实验结果

down.rgb up.yuv cho.rgb
数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版） 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版） 数据压缩（四）——彩色空间转换（不采样版）

  至此，完成了4：4：4的RGBRGB文件与4：4：4的YUVYUV文件之间的转换。

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