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、实验要求

（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。

三、实验原理

1、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；

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；

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，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；

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，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。

2．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。

四、实验步骤

1. 程序初始化（打开两个文件、定义变量和缓冲区等）

2. 读取BMP文件，抽取或生成RGB数据写入缓冲区

3. 调用RGB2YUV的函数实现RGB到YUV数据的转换（采用部分查找表法，提高运行效率）

4. 写YUV文件

5. 程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

代码实现：

1.main.cpp

main函数流程为实验主要步骤

//zyzcuczyz
#define _CRT_SECURE_NO_DEPRECATE
#include<iostream>
#include<Windows.h>
#include<wingdi.h>
#include"bmp2yuv.h";
#include"rgb2yuv.h";using namespace std;
int main(int argc, char* argv[]) {//变量BITMAPFILEHEADER File_header;BITMAPINFOHEADER Info_header;FILE* bmpFile = NULL;FILE* yuvFile = NULL;//const int i = atoi(argv[1]);const char* bmpName[5] = { argv[2],argv[3],argv[4],argv[5],argv[6] };//"1.bmp","2.bmp","3.bmp","4.bmp"const char* yuvName = argv[7];//"bmp.yuv"unsigned char* rgbBuf;unsigned char* yBuf;unsigned char* uBuf;unsigned char* vBuf;bool flip = TRUE;//打开文件yuvFile = fopen(yuvName, "wb");for (int i = 0; i < 5; i++) {bmpFile = fopen(bmpName[i], "rb");//文件头，信息头if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1){printf("read file header error!\n");exit(0);}if (File_header.bfType != 0x4D42){printf("Not bmp file!\n");exit(0);}else{printf("this is a bmp file！\n");}if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1){printf("read info header error!\n");exit(0);}int frameWidth = Info_header.biWidth;int frameHeight = Info_header.biHeight;//分配空间rgbBuf = (unsigned char*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3);yBuf = (unsigned char*)malloc(frameWidth * frameHeight);uBuf = (unsigned char*)malloc(frameWidth * frameHeight / 4);vBuf = (unsigned char*)malloc(frameWidth * frameHeight / 4);RGBQUAD* pRGB = (RGBQUAD*)malloc(sizeof(RGBQUAD) * (unsigned int)pow(2, Info_header.biBitCount));if (!MakePalette(bmpFile, File_header, Info_header, pRGB))printf("No palette!\n");//读rgbREADRGB(frameWidth, frameHeight, bmpFile, rgbBuf);//rgb2yuvif (RGB2YUV(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip)){printf("error!\n");return 0;}for (int i = 0; i < frameWidth * frameHeight; i++){if (yBuf[i] < 16) yBuf[i] = 16;if (yBuf[i] > 235) yBuf[i] = 235;}for (int i = 0; i < frameWidth * frameHeight / 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;}//写入yuv文件//WriteYUV(frameWidth, frameHeight, yBuf, uBuf, vBuf, yuvFile);int n = atoi(argv[8]);for (int i = 0; i < n; i++) {fwrite(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight, yuvFile);fwrite(uBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) / 4, yuvFile);fwrite(vBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) / 4, yuvFile);}free(rgbBuf);free(yBuf);free(uBuf);free(vBuf);fclose(bmpFile);}fclose(yuvFile);return 0;
}

2.rgb2yuv.h

rgb2yuv.h文件中包含：

READRGB函数，实现读取文件rgb数据的操作

//void RGB2YUV();
//void READRGB();
//void WriteYUV();void READRGB(int width, int height, FILE* bmpFile, unsigned char* rgb)
{unsigned char* bmp = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * width * height * 3);unsigned char* tmp_rgb = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * width * height * 3);fread(bmp, width * height * 3, 1, bmpFile);for (int i = 0; i < width * height * 3; i++){*(tmp_rgb + i) = *bmp;bmp++;}//倒序转正序for (int i = 0; i < height; i++){for (int j = 0; j < width * 3; j++){*(rgb + (height - 1 - i) * width * 3 + j) = *tmp_rgb;tmp_rgb++;}}
}

RGB2YUV函数，实现将rgb转为yuv的操作

//int RGB2YUV(int x_dim, int y_dim, void* bmp, void* y_out, void* u_out, void* v_out, int flip);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;}// 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 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;// convert RGB to YUVif (!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++;}}// subsample UVfor (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;
}

InitLookupTable函数为查找表函数

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;
}

3.bmp2yuv.h

bmp2yuv.h中包含调色板函数

//bool MakePalette(FILE* pFile, BITMAPFILEHEADER& file_h, BITMAPINFOHEADER& info_h, RGBQUAD* pRGB_out);bool MakePalette(FILE* pFile, BITMAPFILEHEADER& file_h, BITMAPINFOHEADER& info_h, RGBQUAD* pRGB_out)
{if ((file_h.bfOffBits - sizeof(BITMAPFILEHEADER) - info_h.biSize) == sizeof(RGBQUAD) * pow(2, info_h.biBitCount)){fseek(pFile, sizeof(BITMAPFILEHEADER) + info_h.biSize, 0);fread(pRGB_out, sizeof(RGBQUAD), (unsigned int)pow(2, info_h.biBitCount), pFile);return true;}else{return false;}
}

五、实验结果

实验使用的图片均来自网络，经处理后转换为256*256的bmp文件：

运行main函数后生成名为bmp.yuv的文件，使用YUVviewer MFC播放

参考：

【数据压缩（五）】基于C++实现BMP序列转YUV文件_zyzcuczyu的博客-CSDN博客

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