一、实验目的
1.理解图像文件的基本组成。
2.掌握结构体作为复杂数据对象的用法。进一步熟悉由问题到程序的解决方案，并掌握编程细节：如内存分配、倒序读写、字节序、文件读写过程等。
二、实验原理
BMP文件的组成结构
BMP（全称Bitmap）是Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB），使用广泛。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，在绝大多数应用中不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选lbit、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。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。
典型的BMP图像文件由四部分组成：
(1)位图头文件数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；
(2)位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信
息；
(3)调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24
位的BMP)就不需要调色板；
(4)位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接
使用RGB,而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。
相应的数据结构可表示如下：
位图文件头（定义BMP文件结构体）主要包括：
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER
{2WORD 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;
位图信息头主要包括：
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度WORD biPlanes; //说明位面数，必须为1WORD biBitCount; //说明位数像素，1表示黑白图、 4表示16色图、//8表示256色图、24表示真彩色图DWORD biCompression; //说明图像是否压缩及压缩类型BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDSDWORD 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
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;//指定保留，指定为0
} RGBQUAD
调色板实际上是一个数组，它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。真彩色无调色板部分。
图像数据字节阵列
紧跟在调色板之后的是图像数据字节阵列。对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值（逻辑色）。对于真彩色图，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，也就是DWORD对齐的。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。
字节序
不同的计算机系统采用不同的字节序存储数据，同样一个4字节的32位整数，在内存中存储的方式不同。字节序分为小尾字节序(Little Endian)和大尾字节序(Big Endian)。Intel处理器大多数使用小尾字节序，Motorola处理器大多数使用大尾(Big Endian)字节序。
小尾就是低位字节排放在内存的低端，高位字节排放在内存的高端，即所谓的“低位在前，高位在后”。大尾就是高位字节排放在内存的低端，低位字节排放在内存的高端，即所谓的“高位在前，低位在后”。TCP/IP各层协议将字节序定义为大尾，因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。
在实现BMP文件头信息的写入和读出时，需要注意整数保存时的字节序。例如：文件大小是以Intel序保存的。在编程前先用二进制打开方式观察BMP文件各个部分的数据存储格式。
实验流程
(1)在图像处理软件中自行生成多个BMP文件，至少含5个不同的场景画面，要求带含有班级、学号后四位和本人姓名（缩写或昵称均可）的logo。(基本要求为24bit的BMP,进阶要求为支持小于24bit的BMP)
(2)编写将第一步所生成的多个BMP文件转化为YUV文件，要求可在命令行中设置每个画面出现的帧数。最后形成的YUV文件应至少包含200帧。重点掌握函数定义、缓冲区分配、倒序读写、结构体的操作。
(3)对整个程序进行调试，并将生成的YUV文件用播放软件观看，验证是否正确。
实验过程
选用图片如下：
在指令行键入每帧图片想持续的帧数，我这里统一设为10帧，共计50帧。
运行！
得到yuv序列，用专门的播放器查看：
yuv
实验代码
代码由三部分构成，一个头文件和两个源文件
头文件 head.h
#ifndef RGB2YUV_H_
#define RGB2YUV_H_
int rgb2yuv(int x_dim, int y_dim, void* bmp, void* y_out, void* u_out, void* v_out, int flip);
void InitLookupTable();
#endif
源文件 rgb2yuv.cpp
#include "stdlib.h"
#include "head.h"static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];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;}// 检查x_dim和y_dim是否能被2整除if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2))return 1;size = x_dim * y_dim;// 分配内存y_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;// RGB to YUVif (!flip) {for (j = 0; j < y_dim; j++){//从最后一行开始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++;}}// subsample UV (下采样）for (j = 0; j < y_dim / 2; j++){psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2; //每行psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2;pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim; //奇数行pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim; //偶数行pv1 = v_buffer + 2 * j * x_dim; //奇数行pv2 = v_buffer + (2 * j + 1) * x_dim; //偶数行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;
}void InitLookupTable() //查找表
{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;
}源文件main.cpp
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <windows.h>
#include "head.h"BITMAPFILEHEADER FILE_header;
BITMAPINFOHEADER Info_header;
using namespace std;static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];int main(int argc, char* argv[])
{int width, height;int picNum[5] = { 0 };//在命令行中获取每个画面出现的帧数for (int i = 0; i < 5; i++) {picNum[i] = atoi(argv[i + 1]);}char bmpFileName[][10] = { "pic1.bmp","pic2.bmp" ,"pic3.bmp" ,"pic4.bmp" ,"pic5.bmp" };char yuvFileName[] = "new1.yuv";int videoFramesWritten = 0; //总帧数FILE* bmpFile = NULL, * yuvFile = NULL;unsigned char* bmpBuf = NULL, * yBuf = NULL, * uBuf = NULL, * vBuf = NULL;//打开（新建）yuv文件errno_t err;if ((err = fopen_s(&yuvFile, yuvFileName, "wb")) != 0) {cout << "FAIL TO OPEN!";exit(1);}//打开bmp文件for (int i = 0; i < 5; i++) {if ((err = fopen_s(&bmpFile, bmpFileName[i], "rb")) != 0) {cout << "FAIL TO OPEN BMP FILE!";exit(1);}//读取当前图像的文件头和信息头BITMAPFILEHEADER fileHeader;BITMAPINFOHEADER infoHeader;if (fread(&fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1) {cout << "read file header error!";exit(0);}//判断是否为bmp格式if (fileHeader.bfType != 0x4D42) {cout << "Not bmp file!";exit(0);}if (fread(&infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1) {cout << "read info header error!";exit(0);}//处理图像的宽和高width = infoHeader.biWidth;height = infoHeader.biHeight;//为变量开辟内存空间bmpBuf = (unsigned char*)malloc(width * height * 3);//每个像素三字节//YUV采用4:2:0取样格式yBuf = (unsigned char*)malloc(width * height);uBuf = (unsigned char*)malloc((width * height) / 4);vBuf = (unsigned char*)malloc((width * height) / 4);if (bmpBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL) {cout << "no enough memory\n";exit(1);}//读取图像数据fread(bmpBuf, sizeof(unsigned char), width * height * 3, bmpFile);//转换图像类型rgb2yuv(width, height, bmpBuf, yBuf, uBuf, vBuf,0);//防溢出及保护电平for (int i = 0; i < width * height; i++) {if (yBuf[i] < 16)yBuf[i] = 16;if (yBuf[i] > 235)yBuf[i] = 235;}for (int i = 0; i < width * height / 4; i++) {if (uBuf[i] < 16) uBuf[i] = 16;if (uBuf[i] > 240) uBuf[i] = 240;if (vBuf[i] < 16) vBuf[i] = 16;if (vBuf[i] > 240) vBuf[i] = 240;}int num = picNum[i];//每张图片重复存储for (int i = 0; i < num; i++) {fwrite(yBuf, 1, width * height, yuvFile);fwrite(uBuf, 1, (width * height) / 4, yuvFile);fwrite(vBuf, 1, (width * height) / 4, yuvFile);++videoFramesWritten;}free(bmpBuf);free(yBuf);free(uBuf);free(vBuf);}printf("\n%u %ux%u video frames written\n", videoFramesWritten, width, height);fclose(bmpFile);fclose(yuvFile);return(0);
}
实验中的问题:
本次实验中出现问题并不大，其过程堪称闹剧，在此写出，博君一笑。
在代码写好后，一直无法成功运行，自动跳出并输出no enough memory
于是开始调试，发现图片高度读取竟然是复数？！？！？
于是请教大佬，得知负数也有意义，即从上向下扫描写入（此时我还以为是我代码有问题），于是重新编写，新的代码可以成功运行了，但输出yuv。。。
于是以为是调色盘的问题，去掉调色盘，改用真彩图像
真“彩”啊，只有彩了啊啊啊啊啊
看到有人问彩色超限的问题，于是添加限制，结果变成全黑。。。
无奈之下，把图片发给同学，希望直接拿到成品yuv水过这篇，结果。。。
。。。居然是因为我用微信截图保存的源图片的问题吗？？？
于是我换了源图片（就是上边的五个，用windows画图粗略制作），成功了。。。
查找资料，发现网上并没有对这方面的解释，只能认为为了使截屏画面更加清晰什么的，微信保存的bmp文件数据写入格式与通常的bmp不同，所以对通常bmp解析后的代码不能对截图文件生效。
累了，毁灭吧。
![[数据压缩]bmp序列转yuv文件](https://img-blog.csdnimg.cn/668eb2d6923448eab1d8bd7bbd02c1a6.png?x-oss-process=image/watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAbGlpX2J5,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16)
