实验一：彩色空间转换(YUV2RGB)

实验一：彩色空间转换

#ifndef/#define/#endif 使用详解:http://blog.csdn.net/abc5382334/article/details/18052757

Debug与Release版本的区别详解:http://blog.csdn.net/ithzhang/article/details/7575483#comments

VS中Release和Debug模式的区别:http://blog.csdn.net/eric491179912/article/details/6154375

YUV格式分析:http://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2012/02/15/2396763.html

一、实验基本原理

1. 彩色空间转换的基本思想及转换公式

(1) YUV与RGB空间的相互转换

RGB格式转YUV格式：

由电视原理知识，

Y = 0.2990 R + 0.5870 G + 0.1140 B

R-Y=0.7010 R - 0.5870 G - 0.1140 B

B-Y=-0.2990 R-0.5870 G + 0.8860 B

为了使色差信号的动态范围控制在-0.5－0.5之间，需要进行归一化，对色差信号引入压缩系数，归一化后的色差信号为：

U = - 0.1684 R - 0.3316 G + 0.5 B

V = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B

(2) 码电平分配及数字表达式

亮电平信号：在对分量信号进行8比特均匀量化时，共分为256个等间隔的量化级。为了防止信号变动造成过载，在256级上端留20级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带。

色差信号：量化后码电平分配色差信号经过归一化处理后，动态范围为-0.5－0.5，让色差零电平对应码电平128，色差信号总共占225个量化级。在256级上端留15级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带。

由此可知，YUV转RGB公式为:

R = Y + 1.4075 *（V-128）

G = Y– 0.3455 *（U–128） – 0.7169 *（V–128）

B = Y + 1.779 *（U–128）

(3) 色度格式

4:2:0格式：色差信号U，V的取样频率为亮度信号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。

所以:

RGB转换YUV格式时，根据公式计算得到一帧Y、U、V数据后，要对色差信号U、V进行下采样。

YUV转换RGB格式时，在利用公式进行计算之前首先要对色差信号U、V进行上采样。(下面是两张丑丑的图示~)

二、实验流程

1. 建立工程，C相关知识回顾(养成良好代码书写习惯)

1) 程序文件一般分为三部分：

(1)头文件：包括与结构（类）的声明和使用这些结构（类）的函数的原型，不要将函数的定义或变量的声明放在头文件中，#ifndef/#define/#endif 防止头文件被多次引用，详解见文章头部链接。

(2)源代码文件：包含与结构（类）有关的函数的代码，即函数的定义

(3)源代码文件(main.c/cpp)：包含调用这些函数的代码

2) 学会使用带参主函数定义以及命令参数、可执行文件工作路径的设置

VS2013步骤为：项目→项目属性→配置属性→调试→命令参数(编辑)/工作目录(编辑：绝对路径/浏览：找到具体文件夹目录)如下图:

关于参数设置过程中Debug与Release版本的区别详解链接见文章头部链接。

2. 调试RGB转换YUV程序

理解课上所给例程，尤其对色差信号进行4:2:0下采样部分，妙用指针可以很容易实现，在课程作业编写YUV转换RGB程序中对U、V数据进行上采样也是借鉴了例程的指针用法。

3. 编写YUV转换RGB程序，具体见下一部分。

三、关键代码

#include "stdlib.h"
#include "yuv2rgb.h"
/*YUV->RGB 转换公式
R = Y + 1.4075 *（V-128）
G = Y – 0.3455 *（U –128） – 0.7169 *（V –128）
B = Y + 1.779 *（U – 128）
*/
static float YUV2RGB14075[256];
static float YUV2RGB03455[256], YUV2RGB07169[256];
static float YUV2RGB1779[256];/************************************************************************
*
*  int YUV2RGB (int x_dim, int y_dim, void *ychunk, void *uchunk, void *vchunk, void *rgb_out, int flip)
*
*   Purpose :   It takes a  YUV (4:2:0) format and convert it into
*               a 24-bit RGB bitmap.
*
*  Input :      x_dim           the x dimension of the bitmap
*               y_dim           the y dimension of the bitmap*
*               yuv chunk       pointer to the YUV structurergb_out         pointer to the buffer of the bitmap
*
*  Output : 0       OK
*           1       wrong dimension
*           2       memory allocation error
*
*   Side Effect :
*               None
*
*   Date :      03/11/2017
*
************************************************************************/int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *ychunk, void *uchunk, void *vchunk, void *rgb_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 *addu_buffer, *addv_buffer;unsigned char *addu_buf, *addv_buf;if (init_done == 0){InitLookupTable();init_done = 1;}// check to see if x_dim and y_dim are divisible by 2if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1;size = x_dim * y_dim;// allocate memory  addu_buffer = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char));addv_buffer = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char));b = (unsigned char *)rgb_out;y = (unsigned char *)ychunk;   u = (unsigned char*)uchunk;v = (unsigned char*)vchunk;addu_buf = (unsigned char *)addu_buffer;addv_buf = (unsigned char *)addv_buffer;// 对UV块进行上采样for (j = 0; j < y_dim/2; j++){psu = u + j * x_dim / 2;//原始数据U块指针psv = v + j * x_dim / 2;//原始数据V块指针pu1 = addu_buf + 2 * j * x_dim;      //U块奇数行首地址pu2 = addu_buf + (2 * j + 1) * x_dim;//U块偶数行首地址pv1 = addv_buf + 2 * j * x_dim;      //V块奇数行首地址pv2 = addv_buf + (2 * j + 1) * x_dim;//V块偶数行首地址for (i = 0; i < x_dim/2; i++){*pu1 = *psu;*pu2 = *psu;pu1++;pu2++;*pu1 = *psu;*pu2 = *psu;   //U块上采样：“以1作4”*pv1 = *psv;*pv2 = *psv;  pv1++;pv2++;        *pv1 = *psv;*pv2 = *psv;   //V块上采样：“以1作4”pu1++;pu2++;pv1++;pv2++;psu++;psv++;          }}  // convert YUV to RGBif (!flip) {for (j = 0; j < y_dim; j++){y = y + (y_dim - j - 1) * x_dim;addu_buf = addu_buf + (y_dim - j - 1) * x_dim;addv_buf = addv_buf + (y_dim - j - 1) * x_dim;for (i = 0; i < x_dim; i++) {g = b + 1;r = b + 2;adjust(b, g, r, y, addu_buf, addv_buf);b += 3;y++;addu_buf++;addv_buf++;}}}else {       for (i = 0; i < size; i++){g = b + 1;r = b + 2;adjust(b, g, r, y, addu_buf, addv_buf);//对变量范围作适应性调整b += 3;y++;addu_buf++;addv_buf++;}}free(addu_buffer);free(addv_buffer);return 0;
}
void InitLookupTable()
{int i;for (i = 16; i < 240; i++) YUV2RGB14075[i] = (float)1.4075 * (i-128);for (i = 16; i < 240; i++) YUV2RGB03455[i] = (float)0.3455 * (i - 128);for (i = 16; i < 240; i++) YUV2RGB07169[i] = (float)0.7169 * (i - 128);//for (i = 16; i < 240; i++) YUV2RGB1779[i] = (float)1.779 * (i-128);
}
void adjust(unsigned char *b, unsigned char *g, unsigned char *r, unsigned char *y, unsigned char *u, unsigned char  *v)
{float temp = 0;temp = (float)(*y + YUV2RGB1779[*u]);temp = temp>255 ? 255 : temp;temp = temp<0 ? 0 : temp;*b = (unsigned char)temp;temp = (float)(*y - YUV2RGB03455[*u] - YUV2RGB07169[*v]);temp = temp>255 ? 255 : temp;temp = temp<0 ? 0 : temp;*g = (unsigned char)temp;temp = (float)(*y + YUV2RGB14075[*v]);temp = temp>255 ? 255 : temp;temp = temp<0 ? 0 : temp;*r = (unsigned char)temp;
}

四、程序分析

①RGB格式裸数据部分，三通道的排列顺序依次是B\G\R，所以一个像素点有三个分别表示颜色的数据。

② YUV格式通常有两大类：

打包（packed）格式：将YUV分量存放在同一个数组中，通常是几个相邻的像素组成一个宏像素（macro-pixel）；

平面（planar）格式：使用三个数组分开存放YUV三个分量，就像是一个三维平面一样。

下面是我们测试所用RGB与YUV文件的两张丑丑的排列简示图~

依次是B G R B G R.........

每帧数据Y U V分块排列......

程序实现过程:

1. 主程序实现对YUV视频逐帧读取数据分别处理，根据格式特点，开辟三个缓存分别存放YUV三个分量各自的数据。

2. 关键函数首先对U\V色差信号作上采样，下采样过程中相邻四个数据取平均得到一个U/V，所以上采样我们这里相应地就可以->以1代4。

3. 接着就是带入公式计算，依然使用查找表的方法，重点注意强制类型转换过程，在void adjust(~~~)函数中实现，超出0~255范围内的rgb值，负数取0，大于255的取255。

4. 最后按照存储格式写入文件。

五、实验结果

(所有YUV测试文件均来自网站：http://trace.eas.asu.edu/yuv/index.html)

1. 如何检验程序结果是否正确：

由于RGB的裸数据并不构成文件格式，所以我们的YUV视频通过程序转换成RGB文件以后，再用RGB2YUV程序转换成YUV格式文件，用YUV播放器查看，对比前后两个视频图像画面，若有明显色调失真或不明色块之类则表明程序出错。

2. 下面是这次实验程序编写过程中出现的错误整理:

①程序结果出错：

测试得到上图结果时，首先注意到明显的蓝红色块，猜测是公式计算过程中强制类型转换错误，老师上课也提醒过，查阅相关书籍得到C语言各种数据类型大小范围如下图：

改正: 将公式计算和强制类型转换过程另写函数，将计算所得结果在unsignedchar类型 0~255范围之外的再次处理。

②程序运行报错:program received signal SIGSEGV,Segmentationfault.

通过相关搜索以及不断改正调试发现，出现这种错误的原因是因为声明指针后没有初始化，指针指向地址为未知，未初始化指针直接执行运算就会出错。

改正：程序中声明的指针初始化。

③程序本身错误：对比差错图像与原图像具体差异：

下面是一组结果图：

蓝红色块错误处理完之后，得到的图像还是不对，但对于错误原因不是很清楚，于是再次进行各种测试。

看上去好像是色调改变了

继续测试

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还好找到了这个颜色丰富亮丽的YUV，帮了大忙

似曾相识的竖条色彩分界

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所以这应该是发生了某部分数据的位置偏移，问题应该出现在有关数据计算部分。

于是重新查看程序，在直接得到数据的计算过程和U/V色差信号的上采样两部分仔细排查，最终发现错误出现采样程序部分的指针使用。

错误：程序中指针psu\psv多进行了一次偏移超出数据范围。

上采样部分正确代码已经在上面程序部分给出，指针使用图示如下：

指针简图（V同理）：

以上错误改正以后再次进行多次测试，结果表明程序运行结果正确。

test 1----

test 2----

test 3----

五、结论

掌握指针运算很重要，会使程序变的简单。

tips/2017/04/30:对于人眼来说，亮度信号是最敏感的，如果将彩色图像转换为灰度图像，仅仅需要转换保存亮度信号就可以。

YUV官方播放器的注册方法：

官方提供注册码：

REGEDIT4

[HKEY_CURRENT_USER\Software\tihohod.com\YUVPlayer\RegistrationInfo]

"RegistrationName"="Peace on Earth -Goodwill to Men"

"RegistrationKey"="JxsQHEseR43VXvp6kCV8w5ACtqNVJ11LhOAE4Pztk+Ksw211wohNjsR78XHoGajwlqIOU6gVz0zipwkJCfdvIqyAJrEgJLYB+NKwPGaD+OqbJD+oe+5xixyIKc7tT0ecQjNER47sA3HsUUhRl3LmKozxS2nH233WNPpJwoF4rL1Bjm5OfcM/jiixF/By85wQTdzSwAehjfvB7iO9tCaI9A=="

把上面key的内容复制到一个编辑器，另存为key.reg，点击运行这个文件会自动注册，就OK了

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