【数据压缩】实验1：将BMP文件转换为YUV文件

news/2025/2/1 15:40:10/

BMP文件简介

位图文件(Bitmap-File，BMP)格式是Windows采用的图像文件存储格式，其位图文件默认的文件扩展名是bmp或者dib。BMP文件的图像深度可选1bit、4bit、8bit、16bit及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。

本实验的目的是在理解了BMP文件格式以及读写方法的基础上，将多个BMP文件转化为一个YUV文件，并在YUV文件中依次进行播放。

BMP文件主要结构

典型的BMP图像文件由四部分组成：

1. 位图文件头

位图文件头由14个字节组成：

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*/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;

2. 位图信息头

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;

3. 调色板

调色板是可选的，与位图信息头中的biBitCount相关。组成成分如下：

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;

4. 位图数据

  • 图像数据字节阵列在调色板之后。若有调色板，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值（逻辑色）；若无调色板，如真彩色图，图像数据就是实际的 R、G、B值。
  • 图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。规定每一扫描行的字节数必须是 4 的整倍数。
  • 扫描行由底向上存储的，即阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，最后一个字节表示位图右上角的像素

从BMP文件中读取RGB数据

从BMP文件中读取RGB数据主要有4步：

  1. 读位图文件头（判断是否可读出、判断是否是BMP文件）
  2. 读位图信息头（判断是否读出）
  3. 判断像素的实际点阵数
  4. 开辟缓冲区，读数据，倒序存放
  5. 根据每像素位数的不同，执行不同操作

不同每像素位数执行的具体操作如下：

 将RGB数据转换为YUV数据

  • Y=0.30R+0.59G+0.11B
  • U=0.493(B－Y)
  • V=0.877(R－Y)

色差信号U，V的取样频率为亮度信号Y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。

实验主要步骤

1. 选取5张相同大小、像素位数为24bit且宽高均为4的整数倍的BMP文件

 

 2. 创建头文件和源文件

3.实现读取BMP文件中的RGB数据

//从BMP文件中提取RGB数据
void BMP2RGB(FILE* bFile, BITMAPFILEHEADER& file_h, BITMAPINFOHEADER& info_h, unsigned char* rgbDataOut)
{u_int32 w, h, width, height;u_int i, j;u_int py;unsigned char* beforeBuffer, * afterBuffer;//判断像素的实际点阵数，保证图像大小为4字节的整数倍//像素数×每像素位数÷8=字节数if (((info_h.biWidth * info_h.biBitCount / 8) % 4) == 0)w = info_h.biWidth;elsew = (info_h.biWidth * info_h.biBitCount + 31) / 32 * 4;if ((info_h.biHeight % 2) == 0)h = info_h.biHeight;elseh = info_h.biHeight + 1;width = w * info_h.biBitCount / 8;//width为一行的字节数height = h;//height为列数py = file_h.bfOffBits; //从BITMAPFILEHEADER结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量//开辟数据缓冲区。其中beforeBuffer为倒序前数据缓存区，afterBuffer为倒序后数据缓存区。 beforeBuffer = (unsigned char*)malloc(width * height);afterBuffer = (unsigned char*)malloc(width * height);//指针指向第一个图像数据fseek(bFile, py, SEEK_SET);//判断读取有效数据是否成功if (!fread(beforeBuffer, 1, width * height, bFile) ){printf("read file error!\n\n");exit(0);}//倒序存放for (i = 0; i < height; i++)for (j = 0; j < width; j++){afterBuffer[width * (height - i - 1) + j] = beforeBuffer[width * i + j];}//24位：直接把倒序后的缓存区数据复制给输出缓存区for (int i = 0; i < height * width; i++){rgbDataOut[i] = afterBuffer[i];}free(beforeBuffer);free(afterBuffer);return;
}

4.实现RGB到YUV的转换

这部分主要参考了师哥师姐提供的rgb2yuv代码。

//将RGB数据转换为YUV数据
int RGB2YUV(int x_dim, int y_dim, void* bmp, void* y_out, void* u_out, void* v_out, 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;if (init_done == 0){InitLookupTable();init_done = 1;}// 确定宽与高是偶数if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1;size = x_dim * y_dim;// allocate memoryy_buffer = (unsigned char*)y_out;sub_u_buf = (unsigned char*)u_out;sub_v_buf = (unsigned char*)v_out;u_buffer = (unsigned char*)malloc(size * sizeof(unsigned char));v_buffer = (unsigned char*)malloc(size * sizeof(unsigned char));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;// 转换函数if (!flip) {for (j = 0; j < y_dim; j++){y = y_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;u = u_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;v = v_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim; i++) {g = b + 1;r = b + 2;*y = (unsigned char)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (unsigned char)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (unsigned char)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}}}else {for (i = 0; i < size; i++){g = b + 1;r = b + 2;*y = (unsigned char)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (unsigned char)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (unsigned char)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}}// 下采样for (j = 0; j < y_dim / 2; j++){psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2;psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2;pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim;pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;pv1 = v_buffer + 2 * j * x_dim;pv2 = v_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim / 2; i++){*psu = (*pu1 + *(pu1 + 1) + *pu2 + *(pu2 + 1)) / 4;*psv = (*pv1 + *(pv1 + 1) + *pv2 + *(pv2 + 1)) / 4;psu++;psv++;pu1 += 2;pu2 += 2;pv1 += 2;pv2 += 2;}}free(u_buffer);free(v_buffer);return 0;
}//查找表
void InitLookupTable()
{int i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV02990[i] = (float)0.2990 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV05870[i] = (float)0.5870 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01140[i] = (float)0.1140 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01684[i] = (float)0.1684 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03316[i] = (float)0.3316 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV04187[i] = (float)0.4187 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV00813[i] = (float)0.0813 * i;
}

5.设置每个画面的帧数

尝试了在命令行中输入每个画面帧数的代码，但输入了第一幅图片的帧数之后程序就一直在运行，未能输入后续图片的帧数，因此改为在main函数的命令参数中输入帧数：


6.生成yuvout.yuv文件，并用YUVviewerPlus查看

(因为不会导出yuv格式的视频，所以只好手动拍摄了......

 （话说CSDN编辑器插入视频真的好麻烦......

由于采用4:2:0色度采样格式，每四个像素共用一个色度采样值，导致了一定的色度失真。

具体代码

bmp2yuv.h

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <malloc.h>
#include <windows.h> //含bmp文件结构等内容void BMP2RGB(FILE* pFile, BITMAPFILEHEADER& file_h, BITMAPINFOHEADER& info_h, unsigned char* rgbDataOut);int RGB2YUV(int x_dim, int y_dim, void* bmp, void* y_out, void* u_out, void* v_out, int flip);void InitLookupTable();//部分查找表

bmp2yuv.cpp

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <malloc.h>
#include <windows.h>
#include "bmp2yuv.h"
#include "stdlib.h"//int8 1个字节    int32 4个字节
#define u_int8_t	unsigned __int8
#define u_int		unsigned __int32
#define u_int32	    unsigned __int32static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];//从BMP文件中提取RGB数据
void BMP2RGB(FILE* bFile, BITMAPFILEHEADER& file_h, BITMAPINFOHEADER& info_h, unsigned char* rgbDataOut)
{u_int32 w, h, width, height;u_int i, j;u_int py;unsigned char* beforeBuffer, * afterBuffer;//判断像素的实际点阵数，保证图像大小为4字节的整数倍//像素数×每像素位数÷8=字节数if (((info_h.biWidth * info_h.biBitCount / 8) % 4) == 0)w = info_h.biWidth;elsew = (info_h.biWidth * info_h.biBitCount + 31) / 32 * 4;if ((info_h.biHeight % 2) == 0)h = info_h.biHeight;elseh = info_h.biHeight + 1;width = w * info_h.biBitCount / 8;//width为一行的字节数height = h;//height为列数py = file_h.bfOffBits; //从BITMAPFILEHEADER结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量//开辟数据缓冲区。其中beforeBuffer为倒序前数据缓存区，afterBuffer为倒序后数据缓存区。 beforeBuffer = (unsigned char*)malloc(width * height);afterBuffer = (unsigned char*)malloc(width * height);//指针指向第一个图像数据fseek(bFile, py, SEEK_SET);//判断读取有效数据是否成功if (!fread(beforeBuffer, 1, width * height, bFile) ){printf("read file error!\n\n");exit(0);}//倒序存放for (i = 0; i < height; i++)for (j = 0; j < width; j++){afterBuffer[width * (height - i - 1) + j] = beforeBuffer[width * i + j];}//24位：直接把倒序后的缓存区数据复制给输出缓存区for (int i = 0; i < height * width; i++){rgbDataOut[i] = afterBuffer[i];}free(beforeBuffer);free(afterBuffer);return;
}//将RGB数据转换为YUV数据
int RGB2YUV(int x_dim, int y_dim, void* bmp, void* y_out, void* u_out, void* v_out, 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;if (init_done == 0){InitLookupTable();init_done = 1;}// 确定宽与高是偶数if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1;size = x_dim * y_dim;// allocate memoryy_buffer = (unsigned char*)y_out;sub_u_buf = (unsigned char*)u_out;sub_v_buf = (unsigned char*)v_out;u_buffer = (unsigned char*)malloc(size * sizeof(unsigned char));v_buffer = (unsigned char*)malloc(size * sizeof(unsigned char));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;// 转换函数if (!flip) {for (j = 0; j < y_dim; j++){y = y_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;u = u_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;v = v_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim; i++) {g = b + 1;r = b + 2;*y = (unsigned char)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (unsigned char)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (unsigned char)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}}}else {for (i = 0; i < size; i++){g = b + 1;r = b + 2;*y = (unsigned char)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (unsigned char)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (unsigned char)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}}// 下采样for (j = 0; j < y_dim / 2; j++){psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2;psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2;pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim;pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;pv1 = v_buffer + 2 * j * x_dim;pv2 = v_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim / 2; i++){*psu = (*pu1 + *(pu1 + 1) + *pu2 + *(pu2 + 1)) / 4;*psv = (*pv1 + *(pv1 + 1) + *pv2 + *(pv2 + 1)) / 4;psu++;psv++;pu1 += 2;pu2 += 2;pv1 += 2;pv2 += 2;}}free(u_buffer);free(v_buffer);return 0;
}//查找表
void InitLookupTable()
{int i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV02990[i] = (float)0.2990 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV05870[i] = (float)0.5870 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01140[i] = (float)0.1140 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01684[i] = (float)0.1684 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03316[i] = (float)0.3316 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV04187[i] = (float)0.4187 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV00813[i] = (float)0.0813 * i;
}

main.cpp

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <malloc.h>
#include <windows.h>
#include "bmp2yuv.h"
#include "stdlib.h"#define u_int8_t	unsigned __int8
#define u_int		unsigned __int32
#define u_int32_t	unsigned __int32
#define FALSE		false
#define TRUE		trueint main(int argc, char** argv)
{bool flip = TRUE;FILE* bmpFile;FILE* yuvFile;BITMAPFILEHEADER File_header;BITMAPINFOHEADER Info_header;const char bmpName[][50] = { "1.bmp","2.bmp","3.bmp","4.bmp","5.bmp" };const char yuvName[] = "yuvout.yuv";unsigned char* rgbBuffer = NULL;unsigned char* yBuffer = NULL;unsigned char* uBuffer = NULL;unsigned char* vBuffer = NULL;int framenumber;//帧数//打开文件fopen_s(&yuvFile, yuvName, "wb+");if (!yuvFile)  //打开不成功{printf("yuvfile open error!\n");exit(0);}for (int i = 0; i < 5; i++){framenumber = atoi(argv[i + 1]);//将char转化为int/*printf("\n第%d幅画面包含帧数为：", i + 1);scanf_s("%d\n", &framenumber);*/fopen_s(&bmpFile, bmpName[i], "rb");if (!bmpFile)  //打开不成功{printf("bmpfile open error!\n");exit(0);}if (!framenumber){printf("\n写入帧数为0\n");continue;}else{//判断文件头格式是否正确if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1){printf("read file header error!\n");exit(0);}//判断文件类型是否为bmp文件if (File_header.bfType != 0x4D42){printf("Not bmp file!\n");exit(0);}//读取信息头格式是否正确if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1){printf("read info header error!\n");exit(0);}//获取图像宽高unsigned long width, height;width = Info_header.biWidth;//确保列数是偶数if ((Info_header.biWidth) % 2 == 0)height = Info_header.biHeight;elseheight = Info_header.biHeight + 1;//开辟缓冲区rgbBuffer = new unsigned char[height * width * 3];yBuffer = new unsigned char[height * width];uBuffer = new unsigned char[height * width / 4];vBuffer = new unsigned char[height * width / 4];while (framenumber){//从BMP文件中读取RGB数据BMP2RGB(bmpFile, File_header, Info_header, rgbBuffer);//将RGB数据转化为YUV数据RGB2YUV(width, height, rgbBuffer, yBuffer, uBuffer, vBuffer, flip);fwrite(yBuffer, 1, width * height, yuvFile);fwrite(uBuffer, 1, (width * height) / 4, yuvFile);fwrite(vBuffer, 1, (width * height) / 4, yuvFile);framenumber--;}}}free(rgbBuffer);free(yBuffer);free(uBuffer);free(vBuffer);fclose(bmpFile);fclose(yuvFile);return 0;
}

http://www.ppmy.cn/news/807479.html

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