BMP2YUV实验报告

第二次实验报告

一、实验原理

bmp文件的结构

bmp文件格式
位图文件头 BITMAPFILEHEADER
位图信息头 BITMAPINFOHEADER
调色板Palette
实际的位图数据ImageData

文件头包含的内容

WORD为两字节，DWORD为四字节

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*/
/*注意此处的字节序问题*/
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;

信息头包含的内容

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;

调色板包含的内容

图像位深度小于等于8bit时调用调色板，调色板中不保存每个像素的RGB值，而是将颜色信息制成表格，通过索引来确定像素的RGB值。比如图像位深度为8bit时，表格中则有2^8 256个数值。

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;

下面通过具体的bmp文件来进行说明。

图像为24bit的bmp文件，分辨率为256*256。



0x00~0x01：内容为42 4D，标记了此文件类型为BMP文件

0x02~0x05：内容为38 00 03 00，表示该文件大小的十六进制表示为030038个字节（先保存低位，再保存高位）。

0x0a~0x0d：36 00 00 00，因为24bit的bmp文件没有调色板，因此表示bmp文件的文件头和信息头共占了36H字节，表示实际数据字节偏移量。

0x16~0x19：00 01 00 00，表示高度为100000000即256个像素。

0x1c~0x1d：表示图片为深度为18H，即24bit。

图像为8bit的bmp文件，分辨率为256*256。



0x00~0x01：内容为42 4D，标记了此文件类型为BMP文件

0x02~0x05：内容为38 04 01 00，表示该文件大小的十六进制表示为010438个字节（先保存低位，再保存高位）。

0x0a~0x0d：36 04 00 00，因为8bit的bmp文件有调色板，因此表示bmp文件的文件头和信息头共占了36H字节，调色板结构占用了00100000（1024）个字节,，共占用了1078个字节，表示实际数据字节偏移量为1078个字节。

0x16~0x19：00 01 00 00，表示高度为100000000即256个像素。

0x1c~0x1d：表示图片为深度为18H，即24bit。

RGB2YUV转换算法

Y=0.2990R+0.5870G+0.1140B

U=−<
4000
/span>0.1684R−0.3316G+0.5000B+128

V=−0.5000R−0.4187G−0.0813B+128

具体算法及代码可参见第一次试验报告的内容。

二、实验流程分析

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
读位图文件头：判断是否可读出、判断是否是BMP文件
判断像素的实际点阵数
开辟缓冲区，读数据，倒序存放
根据每像素位数的不同，执行不同的操作：

8bit以下	16bit	24bit
构造调色板
位与移位取像素数据查调色板写RGB缓冲区	位与移位取像素数据转换8bit彩色分量写RGB缓冲区	直接取像素数据写RGB缓冲区

3.调用RGB2YUV的函数实现RGB到YUV数据的转换

4.写YUV文件

5.程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

三、重要代码及分析

BITMAPFILEHEADER File_header;
BITMAPINFOHEADER Info_header;

文件结构组成包含在windows.h中

/*用于打开bmp文件的代码，与第一次实验相同*/
bmpFile = fopen(bmpFileName, "rb");
if (bmpFile == NULL)
{
printf("cannot find rgb file\n");
exit(1);
}
else
{
printf("The input bmp file is %s\n", bmpFileName);
}

/*读取bmp文件头和信息头*/
if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1)//读取文件头
{
printf("read file header error!");
exit(0);
}
if (File_header.bfType != 0x4D42)
{
printf("Not bmp file!");
exit(0);
}
else
{
printf("this is a %c%c\n", File_header.bfType);
}
if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1)//读取信息头
{
printf("read info header error!");
exit(0);
}

/*读取文件字节宽度和高度*/
if (((Info_header.biWidth / 8 * Info_header.biBitCount) % 4) == 0)
width = Info_header.biWidth / 8 * Info_header.biBitCount;
else
width = (Info_header.biWidth*Info_header.biBitCount + 31) / 32 * 4;
if ((Info_header.biHeight % 2) == 0)
height = Info_header.biHeight;
else
height = Info_header.biHeight + 1;
/*读取文件的宽和高*/
frameWidth = Info_header.biWidth;
frameHeight = Info_header.biHeight;

BMP文件一行的字节数必须为4的倍数，如果不是4的倍数，就需要补充相应的位数使之成为4的位数，BMP的文件的列数也应该为偶数，如果不是偶数，则应该补一位使之成为偶数。

/*开空间，bmpBuf指向的空间大小为bmp文件的字节数，yuv空间的开辟在此不再赘述*/
rgbBuf = (unsigned char*)malloc(Info_header.biWidth * Info_header.biHeight * 3);
bmpBuf = (unsigned char*)malloc(width * height );

根据位深度的不同进行不同的操作。

先判断是否有调色板

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;
}

RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned int)pow(2, Info_header.biBitCount));

调色板的大小为2(biBitCount)。在这里要注意的是，当位深度为8bit时，28是256，所以要用unsigned int进行类型转换，不能用unsigned char，会超出0~255的范围，导致程序出错。

1. 24比特

24bit为真彩色，不会用到调色板，因此直接取像素数据写RGB缓冲区。

fread(rgbBuf, 1, frameWidth * frameHeight*3 , bmpFile);

2. 16比特

16bit也不用到调色板，但由于16bit保存方式rgb不是整字节值，因此采用如下代码进行写入。

xxx xxxxx xxxxxx xx

G1 B R G1

if (Info_header.biCompression == BI_RGB)
{
for (Loop = 0; Loop < height * width; Loop += 2)
{
*rgb = (bmpBuf[Loop] & 0x1F) << 3;//B
*(rgb + 1) = ((bmpBuf[Loop] & 0xE0) >> 2) + ((bmpBuf[Loop + 1] & 0x03) << 6);//G
*(rgb + 2) = (bmpBuf[Loop + 1] & 0x7C) << 1;//R
rgb += 3;
}
}

先保存低位，再保存高位，高位字节的前六位保存红色R的内容，后两位及低位字节的前三位保存绿色G，后五位保存蓝色B。

3. 8bit及以下

for (Loop = 0; Loop< height * width; Loop++)
{

switch (Info_header.biBitCount)
{
case 1:
mask = 0x80;//1000 0000
break;
case 2:
mask = 0xC0;//1100 0000
break;
case 4:
mask = 0xF0;//1111 0000
break;
case 8:
mask = 0xFF;//1111 1111
}
/*对于1bit的图像，一个字节中的第一位为第一个像素的值。4bit图像，一个字节中的前四位为第一个像素的值。具体操作是将通过不需要的位与0，需要的位与1.2bit及8bit同理。*/
int shiftCnt = 1;

while (mask)
{
unsigned char index = mask == 0xFF ? bmpBuf[Loop] : ((bmpBuf[Loop] & mask) >> (8 - shiftCnt * Info_header.biBitCount));
*rgb = pRGB[index].rgbBlue;
*(rgb + 1) = pRGB[index].rgbGreen;
*(rgb + 2) = pRGB[index].rgbRed;

if (Info_header.biBitCount == 8)
mask = 0;
else
mask >>= Info_header.biBitCount;
rgb += 3;
shiftCnt++;
}

进行rgb2yuv操作

if (RGB2YUV(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip))
{
printf("error");
return 0;
}
for (i = 0; i < bmpframe; i++)
{
fwrite(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight, yuvFile);
fwrite(uBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) / 4, yuvFile);
fwrite(vBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) / 4, yuvFile);
printf("\r...%d", ++videoFramesWritten);
}

具体函数与第一次实验中的相同，在此不再赘述。

四、实验结果及分析

实验测试采用的是分辨率为256x256的位深度分别为1bit、4bit、8bit、16bit、24bit的五张图像。



在命令行参数中写入读取的文件名，最终的yuv文件名及，每一幅图像出现的帧数。



最终结果

1bit	4bit	8bit

16bit	24bit

五、结论

在这里写出调试程序是时出现的几个主要错误：

出现错误1

*rgb = (bmpBuf[Loop] & 0x1F) << 3;
*(rgb + 1) = ((bmpBuf[Loop] & 0xE0) >> 2) + ((bmpBuf[Loop + 1] & 0x03) << 6);
*(rgb + 2) = (bmpBuf[Loop + 1] & 0x7C) << 1;
rgb += 3;

在这段代码中一开始使用的是rgbbuf指针，在执行完这段循环后，rgbbuf已经指向了图像的最后，在接下来调用YUV2RGB函数是，仍要使用rgbbuf，因此此时的rgbbuf已经超出了开空间的范围，在运行时出现了错误。因此通过rgb=rgbbuf，将这段代码中的rgbbuf改为rgb，来使得rgbbuf指向的值改变的同时，rgbbuf指向的地址值不变。

出现错误2

RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned char)pow(2, Info_header.biBitCount));

在这段程序中，unsigned char是1字节的，当位深度为1bit和4bit时不会出现问题，但当8bit时，28为256，超出了0~255的范围，因此在运行时到8比特时会出错。因此将次改为unsigned int，为2字节即可。

通过本次实验，可以掌握bmp文件格式和bmp2yuv文件转换流程，同时也可以学习复杂数据的组织。我也复习了结构体的相关知识，用函数处理结构中的数据有三种情况

1.把结构成员的值个别地传给函数处理

2.把整个结构作为值，通过参数传递给函数（不希望改变结构变量的值）

3.把结构的地址传给函数，即传递指向结构的指针（希望改变结构变量的值）

本次实验采取的是第二种。