RGB格式图片转YUV图片（超级菜鸟版）

根据遇到的问题分析实验原理

由于人眼对亮度更加敏感，对色度信号的差异不太敏感，在彩色图片的传输过程中不使用RGB信号分量而利用亮度方程以YUV信号分量传输，Y为亮度信号，U,V为色差信号，可以通过降低色差信号的数据量实现压缩。RGB与YUV对应关系：
{Y=0.299R+0.587G+0.114B+16U=−0.1684R−0.3316G+0.5B=0.564(B−Y)+128(1)V=0.5R−0.4187G−0.0813B=0.713(R−Y)+128\begin{cases} Y=0.299R+0.587G+0.114B+16\\ U=-0.1684R-0.3316G+0.5B=0.564(B-Y)+128\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, (1)\\ V=0.5R-0.4187G-0.0813B=0.713(R-Y)+128 \end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧Y=0.299R+0.587G+0.114B+16U=−0.1684R−0.3316G+0.5B=0.564(B−Y)+128(1)V=0.5R−0.4187G−0.0813B=0.713(R−Y)+128

其中，为了使色差信号的动态范围控制在[-0.5, 0.5]，需要进行量化前的归一化处理，需要引入数字色差信号的压缩系数（分别为0.564与0.713）。

在数字电视的传输中，在进行8 bit量化时，需要在上下两端留出一定的余量，作为信号超越动态范围的保护带。具体地：

对于亮度信号，在256级的上端留出20级，下端留出16级作为余量，即Y的动态范围为16-235；
对于两个色差信号，在256级的上端留出15级，下端留出16级作为余量，即U、V的动态范围为16-240。

所以会有一定的对上式会有压缩处理
{Y′=int235−16255×Y+16U′=int240−16255×Y×0.713+128(2)V′=int240−16255×V×0.564+128\begin{cases} Y'=int{\frac{235-16}{255}\times Y+16}\\ U'=int{\frac{240-16}{255}\times Y\times 0.713+128}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(2)\\ V'=int{\frac{240-16}{255}\times V\times 0.564+128} \end{cases} ⎩⎪⎨⎪⎧Y′=int255235−16×Y+16U′=int255240−16×Y×0.713+128(2)V′=int255240−16×V×0.564+128
由于（2）式主要用于数字电视传输中，对于单幅图片（2）式和（1）式影响不大。但需要注意提升电平！！（不知道为什么都有光斑现象）

原图片

（1）式转换结果

（2）式转换结果

经过博主的一番研究，发现是采样格式出现错误

请忽视丑陋的涂鸦，重点看红色箭头和蓝色箭头，红色箭头是后续改进后的采样，蓝色箭头是原先出现光斑的采样。

（1）式结果

（2）式结果

还是会有偏暗的问题，不过为了方便，真的懒得再改了，就采用（2）式，而且对比原图还是（2）还原效果最接近。但最后还是用了（1）.

YUV转RGB公式计算

如果真的认真算的话怕是错误多多，在这里可以用matlab计算逆矩阵。

%format long %多看几位小数
a = [0.299 0.587 0.114;-0.1684 -0.3316 0.5;0.5 -0.4187 -0.0813];
inv(a) % 得到逆矩阵,也就是YUV转RGB的矩阵

结果为：
ans =

1.0000 -0.0000 1.4020
1.0000 -0.3441 -0.7139
1.0000 1.7718 -0.0013
也就是：
R = Y+1.4020V
G = Y-0.3441U-0.7139V
B = Y+1.7718U-0.0013V
但注意！需要减去提升电平！

但是博主做着做着发现，改正后结果居然是这样的！

yuv还原rgb1

还记得我刚刚分析了使用数字压缩后更暗，所以可能我还原时不能对应数字压缩的yuv文件，得用（1）式的文件，so继续改回原来的（1）式

更斑驳了

为什么呢？不应该啊？经过我的一番比对

原来是我没有对rgb数值进行修正！

你看看你看看，Y如果不减去16的话，B还是会有小于16的数值，如果Y-16的话B将出现负值！（有点绕但这都是我一点点改出来的呜呜呜）

所以我们要对rgb倒算出来超出255和小于0的数值进行修正，修正后：

此刻的它是多么漂亮啊啊啊啊

实验代码

这次实验中我才用较为规范的工程写法，所以还是用了较长的时间，而且部分失误报错还没有完善。

头文件（记得加上#include的文件）

一直出现报错FILE未定义，发现头文件中我没有#include<stdio.h>，而FILE类在其中，所以需要加上

#pragma once
#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<math.h>
void initLookupTable();
void _rgb2yuv(FILE* yuvfile, int rgbSize, unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf);
void _yuv2rgb(FILE* rgbfile, int rgbSize, unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf);
void error_data(FILE* rgbFileP, FILE* rgbRecFileP, unsigned char* rgbOriBuffer1, unsigned char* rgbRecBuffer1, int rgbFileSize);

rgb2yuv.cpp文件（存储大量需要用到的函数）（有如上述错误，自行比对修改，防白嫖（其实就是懒得再改了））

#include"RGB2YUV.h"
#include<iostream>
#include<stdio.h>
#include<math.h>float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256], RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256], RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256],RGBYUV05[256];
//建立查找表，避免大量计算（可省略）
void initLookupTable()
{for (int i = 0; i < 256; i++){RGBYUV02990[i] = (float)0.2990 * i;RGBYUV05870[i] = (float)0.5870 * i;RGBYUV01140[i] = (float)0.1140 * i;RGBYUV01684[i] = (float)0.1684 * i;RGBYUV03316[i] = (float)0.3316 * i;RGBYUV04187[i] = (float)0.4187 * i;RGBYUV00813[i] = (float)0.0813 * i;RGBYUV05[i]= (float)0.5 * i;}
}
//rgb转换为yuv
void _rgb2yuv(FILE* yuvfile, int rgbSize, unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf) {//首先计算444采样格式的yuvfloat* uBuf444 = NULL;//下采样前的缓冲区float* vBuf444 = NULL;uBuf444 = new float[rgbSize / 3];vBuf444 = new float[rgbSize / 3];for (int i = 0; i < rgbSize/3; i++) {int b = int(*(rgbBuf+3*i));int g = int(*(rgbBuf+3 * i+1));int r= (int)rgbBuf[3 * i + 2];//根据公式计算存储//数字电视压缩处理测试float y = (219.0/255.0*(RGBYUV02990[r] + RGBYUV05870[g] + RGBYUV01140[b])) + 16.0;yBuf[i] = (unsigned char) y;uBuf444[i] = 0.713*224.0/255.0*(-RGBYUV01684[r] - RGBYUV03316[g] + RGBYUV05[b]) +128.0;vBuf444[i] = 0.564*224.0/255.0*(RGBYUV05[r] - RGBYUV04187[g] - RGBYUV00813[b])+128.0;//float y = ((RGBYUV02990[r] + RGBYUV05870[g] + RGBYUV01140[b])) + 16.0;//yBuf[i] = (unsigned char)y;//uBuf444[i] =  (-RGBYUV01684[r] - RGBYUV03316[g] + RGBYUV05[b]) + 128.0;//vBuf444[i] =  (RGBYUV05[r] - RGBYUV04187[g] - RGBYUV00813[b]) + 128.0;}//原来的444转420采样格式代码，错误！//for (int i = 0; i < rgbSize / 12; i++) {//   uBuf[i] = (unsigned char)uBuf444[i * 4];// vBuf[i]= (unsigned char)vBuf444[i * 4];//}///采样格式更改测试，正确！// 4:4:4 to 4:2:0int w = 256; int h = 256;for (int i = 0; i < h; i += 2){for (int j = 0; j < w; j += 2){uBuf[i / 2 * w / 2 + j / 2] = (unsigned char)uBuf444[i * w + j];vBuf[i / 2 * w / 2 + j / 2] = (unsigned char)vBuf444[i * w + j];}}//写入fwrite(yBuf, sizeof(unsigned char), rgbSize / 3, yuvfile);fwrite(uBuf, sizeof(unsigned char), rgbSize / 12, yuvfile);fwrite(vBuf, sizeof(unsigned char), rgbSize / 12, yuvfile);//释放空间delete[] uBuf444; delete[] vBuf444;}//yuv转rgb
void _yuv2rgb(FILE* rgbfile, int rgbSize, unsigned char* rgbBuf, unsigned char* yBuf, unsigned char* uBuf, unsigned char* vBuf) {int index = 0;int yi = 0;for (int i = 0; i < rgbSize / 12; i++) {//4：1：1for (int bili = 0;bili < 4; bili++) {rgbBuf[index] = unsigned char(yBuf[yi] + 1.7718 * (uBuf[i] - 128));//bindex++; rgbBuf[index] = unsigned char(yBuf[yi] - 0.3441 * (uBuf[i] - 128) - 0.7139 * (vBuf[i] - 128));//gindex++; rgbBuf[index] = unsigned char((yBuf[yi] + 1.4020 * (vBuf[i] - 128)));//ryi++; index++;}}fwrite(rgbBuf, sizeof(unsigned char), rgbSize, rgbfile);}void error_data(FILE* rgbFileP, FILE* rgbRecFileP,unsigned char* rgbOriBuffer1,unsigned char* rgbRecBuffer1,int rgbFileSize) {/本想使用直接文件指针传入再计算差值，但因为主函数已经规定了读写格式和文件指针已经移动，也不愿意重新读取文件，直接利用已经计算好的缓冲区数据算差值，可以再优化！！//rewind(rgbFileP);//fseek(rgbFileP, 0L, SEEK_END);//int rgbFileSize = ftell(rgbFileP);//rewind(rgbFileP);//int yuvFileSize = rgbFileSize / 2;//rewind(rgbRecFileP);FILE* errorFile;fopen_s(&errorFile, "error_data.csv", "wb");//unsigned char* rgbOriBuffer = NULL;//unsigned char* rgbRecBuffer = NULL;//rgbOriBuffer = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize);//rgbRecBuffer = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize);unsigned char* error_data = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize);//fread(rgbOriBuffer, sizeof(unsigned char), rgbFileSize, rgbFileP);//fread(rgbRecBuffer, sizeof(unsigned char), rgbFileSize, rgbRecFileP);//for (int i = 0; i < rgbFileSize; i++) {error_data[i] = abs(rgbOriBuffer1[i] - rgbRecBuffer1[i]);}for (int i = 0; i < rgbFileSize / 3; i++) {int index = 0;fprintf(errorFile, "(%d,%d,%d)  ", int(error_data[3 * i]), int(error_data[3 * i + 1]), int(error_data[3 * i + 2]));index++;if (index == 256) {fprintf(errorFile, "\n");}}//delete[] rgbOriBuffer;//delete[] rgbRecBuffer;//注意释放空间delete[] error_data;fclose(errorFile);
}

主函数main.cpp

#include"RGB2YUV.h"
#include <iostream>
#include <stdio.h>
using namespace std;int main(int argc, char* argv[]) {FILE* rgbOriFileP = NULL;//原RGB图像的文件指针FILE* yuvFileP = NULL;//YUV图像的文件指针FILE* rgbRecFileP = NULL;//复原的RGB的文件指针const char* rgbOriFileName = argv[1];const char* yuvFileName = argv[2];const char* rgbRecFileName = argv[3];int width = 256;int height = 256;unsigned char* rgbOriBuffer = NULL;unsigned char* yBuffer = NULL;unsigned char* uBuffer = NULL;unsigned char* vBuffer = NULL;unsigned char* rgbRecBuffer = NULL;//openif (fopen_s(&rgbOriFileP, rgbOriFileName, "rb") == 0) {cout << "Successfully opened" << rgbOriFileName << endl;}else {cout << "Failed to open" << rgbOriFileName << endl;exit(0);}if (fopen_s(&yuvFileP, yuvFileName, "wb") == 0) {cout << "Successfully opened" << yuvFileName << endl;}else {cout << "Failed to open" << yuvFileName << endl;exit(0);}if (fopen_s(&rgbRecFileP, rgbRecFileName, "wb") == 0) {cout << "Successfully opened" << rgbRecFileName << endl;}else {cout << "Failed to open" << rgbRecFileName << endl;exit(0);}//计算原RGB图像的总字节数fseek(rgbOriFileP, 0L, SEEK_END);int rgbFileSize = ftell(rgbOriFileP);rewind(rgbOriFileP);cout << "the rgb file size:" << rgbFileSize << endl;int yuvFileSize = rgbFileSize / 2;//建立缓冲区,4:2:0yuvrgbOriBuffer = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize);rgbRecBuffer= (unsigned char*)malloc(rgbFileSize);yBuffer = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize/3);uBuffer = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize/12);vBuffer = (unsigned char*)malloc(rgbFileSize/12);fread(rgbOriBuffer, sizeof(unsigned char), rgbFileSize, rgbOriFileP);//RGB图像读入缓冲区initLookupTable();_rgb2yuv(yuvFileP, rgbFileSize,rgbOriBuffer, yBuffer, uBuffer, vBuffer);_yuv2rgb(rgbRecFileP, rgbFileSize, rgbRecBuffer, yBuffer, uBuffer, vBuffer);error_data(rgbOriFileP, rgbRecFileP, rgbOriBuffer, rgbRecBuffer,rgbFileSize);delete[] rgbOriBuffer;delete[] yBuffer;delete[] uBuffer;delete[] vBuffer;delete[] rgbRecBuffer;fclose(rgbOriFileP);fclose(yuvFileP);fclose(rgbRecFileP);}

这个应该没错吧，就是简单的打开文件，调用。

还有读取rgb格式文件，在我求RGB三通道分量熵中有代码，但好像C++确实没方法读取，如果有人搜到了可以评论一下
读取rgb文件代码

实验结果

来秀一波我的成果吧，虽然其实是简单的实验但因为太久没写C++和对YUV，RGB不太熟，所以写了好几个小时。。。。

rgb2yuv无压缩版（1）：

rgb2yuv然后再yuv2rgb后的

error_data:

遇见问题

1、头文件函数声明时用了FILE指针，存储在stdio.h定义，所以需要#include<stdio.h>

2、采样格式失误，导致光斑！

3、反推yuv2rgb公式时手算十分困难！

4、提升电平的加减！

5、需要修正rgb的数值。

生活不易，如果看到这的老师同学师弟师妹（应该不会有师哥姐看到吧哈哈哈）请点个赞哈哈哈哈

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