RGB 和 YUV 彩色空间转换

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RGB 和 YUV 彩色空间转换

一、实验目的

1．学会从计算和程序的角度分析问题
通过完成本实验，理解计算思维，即从问题出发，通过逐步分析和分解，把原问题转化为可用程序方式解决的问题。在此过程中设计出一个解决方案。
2．进一步理解彩色空间的概念并掌握不同彩色空间转换的基本方程。
3．通过逐步设计程序，掌握编程细节：如查找表的设计，内存分配，对 U 和 V 信号进行下采样，文件读写过程等。掌握程序调试的基本方法。

二、实验原理

1、YUV与RGB空间的相互转换

由电视原理可知，亮度和色差信号的构成如下：
Y＝0.2990R+0.5870G+0.1140B
R-Y＝0.7010R-0.5870G-0.1140B
B-Y＝-0.2990R-0.5870G+0.8860B
为了使色差信号的动态范围控制在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＝-0.1684R-0.3316G+0.5B
V＝0.5R-0.4187G-0.0813B

2、码电平分配及数字表达式

① 亮电平信号量化后码电平分配
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。

② 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。

3、色度格式

4:2:0格式是指色差信号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。

三、编程实现

1、RGB转化为YUV的程序

① 设置命令参数

② 设置SDL为否

③ 头文件 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();

④ main函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include "rgb2yuv.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)
{/* variables controlable from command line */u_int frameWidth = 352;			/* --width=<uint> */u_int frameHeight = 240;		/* --height=<uint> */bool flip = TRUE;				/* --flip */unsigned int i;/* internal variables */char* rgbFileName = NULL;char* yuvFileName = NULL;FILE* rgbFile = NULL;FILE* yuvFile = NULL;u_int8_t* rgbBuf = NULL;u_int8_t* yBuf = NULL;u_int8_t* uBuf = NULL;u_int8_t* vBuf = NULL;u_int32_t videoFramesWritten = 0;/* begin process command line *//* point to the specified file names */rgbFileName = argv[1];yuvFileName = argv[2];frameWidth = atoi(argv[3]);frameHeight = atoi(argv[4]);/* open the RGB file */rgbFile = fopen(rgbFileName, "rb");if (rgbFile == NULL){printf("cannot find rgb file\n");exit(1);}else{printf("The input rgb file is %s\n", rgbFileName);}/* open the RAW file */yuvFile = fopen(yuvFileName, "wb");if (yuvFile == NULL){printf("cannot find yuv file\n");exit(1);}else{printf("The output yuv file is %s\n", yuvFileName);}/* get an input buffer for a frame */rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3);/* get the output buffers for a frame */yBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight);uBuf = (u_int8_t*)malloc((frameWidth * frameHeight) / 4);vBuf = (u_int8_t*)malloc((frameWidth * frameHeight) / 4);if (rgbBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL){printf("no enought memory\n");exit(1);}while (fread(rgbBuf, 1, frameWidth * frameHeight * 3, rgbFile)){if (RGB2YUV(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip)){printf("error");return 0;}for (i = 0; i < frameWidth * frameHeight; i++){if (yBuf[i] < 16) yBuf[i] = 16;if (yBuf[i] > 235) yBuf[i] = 235;}for (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;}fwrite(yBuf, 1, fra