| 【实验一】RGB与YUV色彩空间的相互转换 | 您所在的位置：网站首页 › rgb转色差电路 › 【实验一】RGB与YUV色彩空间的相互转换 |
【实验一】RGB与YUV色彩空间的相互转换
|
目录
1.实验目的： 2.实验原理： 1.彩色空间转换的公式： 2.码电平分配： 3.rgb2yuv实验： 1.代码调试： 2.生成图像查看：
4.yuv2rgb实验: 5.误差分析： 6.实验总结： 1.实验目的：1．学会从计算和程序的角度分析问题 2.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。 3．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。 4.实验设备：安装 Visual Studio 及其他软件的个人计算机。 2.实验原理： 1.彩色空间转换的公式：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 将其8比特量化并且将UV信号往上搬移128个电平最后所得公式为： Y＝0.2990R+0.5870G+0.1140B U＝-0.1684R-0.3316G+0.5B+128 V＝0.5R-0.4187G-0.0813B+128 使用matlab 进行矩阵的逆运算求出：
则yuv2rgb的公式为： R＝Y+1,4020(V-128) G＝Y-0.3441(U-128)-0.7139(V-128) B＝Y-1.7718(U-128)-0.0013(V-128) 2.码电平分配：⚫ 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。 ⚫ 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。 3.rgb2yuv实验： 1.代码调试： 一开始代码中的fopen不能使用，需要修改，查阅资料之后再代码中添加了一串：#pragma warning(disable:4996) 然后就可以运行了。
认真仔细阅读了老师给的代码，发现了许多自己没有注意到过的问题： 可以利用查找表进行优化，以大大减少代码运行的时间；
通过使用main函数的命令行参数可以直接对文件进行操作，argc是指输入字符串的数量+最后生成了一个可执行文件，这里是5；argv[]是一个数组指针，存放了传入的每一个参数。并且使用atoi将字符串转为数字。 rgbFileName = argv[1]; yuvFileName = argv[2]; frameWidth = atoi(argv[3]); frameHeight = atoi(argv[4]);//atoi字符串转为数字
设置了很多错误提醒语句，方便查找出： 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); } 2.生成图像查看：由于rgb图像是倒着存储的，所以代码中设置了flip参数分类解决是否翻转的问题。
主函数的实现与所提供的并无太大差别，稍微改动即可，思路是设置三个yBuf,uBuf,vBuf分别存放读入的YUV文件数据，用rgbBuf存放最后生成的rgb文件数据。 #include #include #include #include "yuv2rgb.h" #pragma warning(disable:4996) #define u_int8_t unsigned __int8 #define u_int unsigned __int32 #define u_int32_t unsigned __int32 #define FALSE false #define TRUE true int main(int argc, char** argv) { /* variables controlable from command line */ u_int frameWidth = 352; /* --width= */ u_int frameHeight = 240; /* --height= */ 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 */ yuvFileName = argv[1]; rgbFileName = argv[2]; frameWidth = atoi(argv[3]); frameHeight = atoi(argv[4]);//atoi字符串转为数字 /* open the YUV file */ yuvFile = fopen(yuvFileName, "rb"); if (yuvFile == NULL) { printf("cannot find yuv file\n"); exit(1); } else { printf("The input yuv file is %s\n", yuvFileName); } /* open the RGB file */ rgbFile = fopen(rgbFileName, "wb"); if (rgbFile == NULL) { printf("cannot find rgb file\n"); exit(1); } else { printf("The output rgb file is %s\n", rgbFileName); } /* get an input buffer 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); /* get the output buffers for a frame */ rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight*3); if (rgbBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL ) { printf("no enought memory\n"); exit(1); } while (fread(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight, yuvFile)&&fread(uBuf, 1, (frameWidth * frameHeight)/4, yuvFile)&&fread(vBuf, 1, (frameWidth * frameHeight)/4, yuvFile)) { if (YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, yBuf, uBuf, vBuf, rgbBuf, flip)) { printf("error"); return 0; } fwrite(rgbBuf, 1, frameWidth * frameHeight*3, rgbFile); printf("\r...%d", ++videoFramesWritten); } printf("\n%u %ux%u video frames written\n", videoFramesWritten, frameWidth, frameHeight); /* cleanup */ free(yBuf); free(uBuf); free(vBuf); free(rgbBuf); fclose(rgbFile); fclose(yuvFile); return(0); }在老师所给代码的基础上改动，主要是改yuv2rgb文件： 进行上采样扩张：通过两层for循环来实现，利用指针将u_buffer与v_buffer的像素值逐一扩大分别用pu1pu2pu3pu4和pv1pv2pv3pv4对应指出。
完成YUV2RGB转换： // convert YUV to RGB if (!flip) { for (j = 0; j < y_dim; j++) { y = y_buffer + (y_dim - j - 1) * x_dim; u = up_u_buf + (y_dim - j - 1) * x_dim; v = up_v_buf + (y_dim - j - 1) * x_dim; for (i = 0; i < x_dim; i++) { g = b + 1; r = b + 2; r1 = (int)(YUVRGB10000[*y] + YUVRGB14020[*v]); g1 = (int)(YUVRGB10000[*y] - YUVRGB03441[*u] - YUVRGB07139[*v]); b1 = (int)(YUVRGB10000[*y] + YUVRGB17718[*u] - YUVRGB00013[*v]); *r = (r1 > 0 ? (r1 > 255 ? 255 : (int)r1) : 0); *g = (g1 > 0 ? (g1 > 255 ? 255 : (int)g1) : 0); *b = (b1 > 0 ? (b1 > 255 ? 255 : (int)b1) : 0); b += 3; y++; u++; v++; } } } else { for (i = 0; i < size; i++) { g = b + 1; r = b + 2; r1 = (int)(YUVRGB10000[*y] + YUVRGB14020[*v]); g1 = (int)(YUVRGB10000[*y] - YUVRGB03441[*u] - YUVRGB07139[*v]); b1 = (int)(YUVRGB10000[*y] + YUVRGB17718[*u] - YUVRGB00013[*v]); *r = (r1 > 0 ? (r1 > 255 ? 255 : (int)r1) : 0); *g = (g1 > 0 ? (g1 > 255 ? 255 : (int)g1) : 0); *b = (b1 > 0 ? (b1 > 255 ? 255 : (int)b1) : 0); b += 3; y++; u++; v++; } }设置查找表： void InitLookupTable() { int i; for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB10000[i] = (float)1 * i; for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB14020[i] = (float)1.4020 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB03441[i] = (float)0.3441 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB17718[i] = (float)1.7718 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB07139[i] = (float)0.7139 * (i-128); for (i = 0; i < 256; i++) YUVRGB00013[i] = (float)0.0013 * (i-128); }代码调试过程：一开始由于查照表没有设置正确，忘记将其减去128，导致虽然程序能够正常运行但是图像的UV值不对，色彩严重失真：
修改查找表正确后，又发现了有部分像素值发生溢出了，图片中有斑驳的红色和蓝色点：
在某位同学的提示下，将unsigned char 改成int类型成功解决了这一问题;因为RGB采用unsiged char 类型，只有一个字节，只能保存0~255之间的数值，而转换后的RGB的值有可能大于255，则会发生溢出，改为int类型则可以避免这种情况发生。最后生成图片为：
5.误差分析： 在实验中所使用的公式并非最准确的值，可能会存在误差从而影响图像； 在YUV文件转换成RGB文件的过程中上采样存在误差； 另外由于值的溢出也会造成误差，因为对其进行了归置在0或者255上。 6.实验总结： 1.实验中进行了大量的指针操作，最好能够自己在草稿本上画一个图，避免混淆。 2.在代码的实现中还有许多问题需要重视，学习更多程序的优化方法使其能够高效运行，就比如这次实验中所学到的查找表，各种错误提示机制，main函数的参数设置使程序能够更加简便易行。 3.调试代码的过程中会有很多问题难以发现，与同学分享自己的错误和经验加深对它的记忆。
|
【本文地址】