数据压缩 实验二 图像文件的读写和转换
2017-07-09 22:03
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实验原理
1.BMP文件的组成结构BMP(全称 Bitmap)是 Windows 操作系统中的标准图像文件格式,可以分成两类:设备
相关位图(DDB)和设备无关位图(DIB),使用非常广。它采用位映射存储格式,除了图像
深度可选以外,在绝大多数应用中不采用其他任何压缩,因此,BMP 文件所占用的空间很大。
BMP 文件的图像深度可选 lbit、4bit、8bit、16bit 及 24bit。BMP 文件存储数据时,图像的扫
描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于 BMP 文件格式是 Windows 环境中交换与图有
关的数据的一种标准,因此在 Windows 环境中运行的图形图像软件都支持 BMP 图像格式。
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;
(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;
(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;
(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。
相应的数据结构可表示如下:
位图文件头主要包括:
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { 2 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) 位图信息头主要包括:
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) 调色板实际上是一个数组,它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同,决定于biClrUsed 和 biBitCount 字段。数组中每个元素的类型是一个 RGBQUAD 结构。真彩色无调色板部分。
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) 紧跟在调色板之后的是图像数据字节阵列。对于用到调色板的位图,图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值(逻辑色)。对于真彩色图,图像数据就是实际的 R、G、B值。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成,每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。规定每一扫描行的字节数必须是 4 的整倍数,也就是DWORD 对齐的。扫描行是由底向上存储的,这就是说,阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素,而最后一个字节表示位图右上角的像素。
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。
实验流程
读取BMP文件信息,获得R、G、B值,将R、G、B值顺序调整,转换为Y、U、V值,将Y、U、V值写入新文件。代码分析
参数:pic1.bmp 80 pic2.bmp 70 pic3.bmp 60 out.yuvmain.cpp代码
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <malloc.h> #include <Windows.h> #include <math.h> #include "bmp2yuv.h" #define u_int8_t unsigned __int8 #define u_int unsigned __int32 #define u_int32_t unsigned __int32 BITMAPFILEHEADER File_header; BITMAPINFOHEADER Info_header; int main(int argc, char** argv) { bool flip = FALSE; //BMP文件倒序存的所以要做倒序 char* bmpFileName = NULL; //文件名 char* yuvFileName = NULL; FILE* bmpFile = NULL; //文件指针 FILE* yuvFile = NULL; u_int8_t* rgbBuf = NULL; //buffer u_int8_t* yBuf = NULL; u_int8_t* uBuf = NULL; u_int8_t* vBuf = NULL; u_int32_t videoFramesWritten = 0; u_int frameWidth, frameHeight; //图像宽高 int i=0,j=0; /***********打开YUV文件***********/ yuvFileName = argv[argc-1]; //取YUV文件名 yuvFile = fopen(yuvFileName, "ab"); //打开已有或新建YUV文件 if (yuvFile == NULL) { printf("cannot find yuv file\n"); exit(1); } else { printf("The output yuv file is %s\n", yuvFileName); } /***********循环读BMP文件并写入YUV文件***********/ < 4000 span class="hljs-keyword">for (i = 0; i < argc/2-1; i++) //循环(argc/2-1)次 { videoFramesWritten = 0; /***********打开BMP文件***********/ bmpFileName = argv[2*i+1]; //取BMP文件名 bmpFile = fopen(bmpFileName, "rb"); //读取BMP文件 if (bmpFile == NULL) { printf("cannot find bmp file\n"); exit(1); } else { printf("The input bmp file is %s\n", bmpFileName); } /***********read BMP fileheader & infoheader***********/ if (fread(&File_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile) != 1) { printf("read file header error!"); exit(0); } if (File_header.bfType != 0x4D42) { printf("Not bmp file!"); exit(0); } else { printf("this is a bmp file.\n", File_header.bfType); } if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1) { printf("read info header error!"); exit(0); } /***********end read header***********/ frameWidth = Info_header.biWidth; //宽 frameHeight = Info_header.biHeight; //高 printf("width=%d height=%d\n", frameWidth, frameHeight); /***********开BUFFER***********/ rgbBuf = (unsigned char *)malloc(sizeof(unsigned char)*frameHeight*frameWidth * 3); yBuf = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char)*frameHeight*frameWidth); uBuf = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char)*frameHeight*frameWidth/4); vBuf = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char)*frameHeight*frameWidth/4); if (rgbBuf == NULL || yBuf == NULL || uBuf == NULL || vBuf == NULL) //判断buffer是否建好 { printf("no enought memory\n"); exit(1); } ReadRGB(rgbBuf, bmpFile, File_header,Info_header); if (RGB2YUV(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip)) { printf("error"); return 0; } /**********带上这一段有bug********* 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; } ***********************************/ /**********按参数写YUV文件**********/ for (j = 0; j <atoi(argv[2*i+2]);j++) { fwrite(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight, yuvFile); fwrite(uBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) / 4, yuvFile); fwrite(vBuf, 1, (frameWidth * frameHeight) / 4, yuvFile); printf("\r...%d", ++videoFramesWritten); } printf("\n%ux%u video frames written\n", frameWidth, frameHeight); printf("\n\n"); if (rgbBuf != NULL) free(rgbBuf); if (yBuf != NULL) free(yBuf); if (uBuf != NULL) free(uBuf); if (vBuf != NULL) free(vBuf); if (bmpFile != NULL) fclose(bmpFile); } if (yuvFile != NULL) fclose(yuvFile); system("pause"); return 0; }
bmp2yuv.cpp代码
#include<Windows.h> #include<stdio.h> #include<math.h> #include"bmp2yuv.h" static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256]; static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256]; static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256]; /***********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((float)2, info_h.biBitCount)) { fseek(pFile, sizeof(BITMAPFILEHEADER) + info_h.biSize, 0); fread(pRGB_out, sizeof(RGBQUAD), (unsigned int)pow((float)2, info_h.biBitCount), pFile); return true; } else return false; } /***********读取BMP图像数据***********/ void ReadRGB(unsigned char * rgbbuf, FILE *bmpfile, BITMAPFILEHEADER &file_h ,BITMAPINFOHEADER & info_h ) { u_int Width=0, Height=0; int k=0; unsigned char *bmpBuf=NULL; unsigned char *rgb=NULL; unsigned char mask=0; int difference = 0; rgb = rgbbuf; /*每一扫描行的字节数必须是4的整数倍,与DWORD对齐 若扫描行字节数不为4的整数倍,要补零为4的整数倍 difference用来计算实际字节数和用于图像信息存储的字节数之差*/ if (((info_h.biWidth*info_h.biBitCount/8)%4) == 0) Width = info_h.biWidth*info_h.biBitCount/8; else Width = (info_h.biWidth*info_h.biBitCount+31)/32*4; if ((info_h.biHeight % 2) == 0) Height= info_h.biHeight; else Height = info_h.biHeight + 1; difference = Width-info_h.biWidth*info_h.biBitCount/8 ; bmpBuf = (unsigned char *)malloc(sizeof(unsigned char)*Height*Width); RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned int)pow((float)2, info_h.biBitCount)); if (!MakePalette(bmpfile, file_h, info_h, pRGB)) { printf("No palette!\n"); //没有调色板 } fread(bmpBuf, 1, Height*Width, bmpfile); if (info_h.biBitCount == 24) { for (k=0; k<Height*Width; k++) { /***********补零***********/ if (difference != 0) { if (difference == 1) { if ((k+1)%Width == 0) continue; } else if (difference == 2) { if ((k+1)%Width == 0 || (k+2)%Width == 0) continue; } else { if ((k+1)%Width == 0 || (k+2)%Width == 0 || (k+3)%Width == 0) continue; } } *rgb = *(bmpBuf+k); rgb++; } } if(pRGB!=NULL) free(pRGB); if(bmpBuf != NULL) free(bmpBuf); } /***********把所读取的BMP数据的RGB信息转换为YUV数据***********/ 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; //建rgb指针 unsigned char *y, *u, *v; //建yuv指针 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 2 if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1; //检查图像宽高是否是偶数 size = x_dim * y_dim; //尺寸=宽×高 y_buffer = (unsigned char *)y_out; sub_u_buf = (unsigned char *)u_out; sub_v_buf = (unsigned char *)v_out; u_buffer = (unsigned char *)malloc(x_dim * y_dim); v_buffer = (unsigned char *)malloc(x_dim * y_dim); if (!(u_buffer && v_buffer)) { if (u_buffer) free(u_buffer); b9fd if (v_buffer) free(v_buffer); return 2; } b = (unsigned char *)bmp; y = y_buffer; u = u_buffer; v = v_buffer; if (!flip) //倒序 { 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 //正序 { 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 ++; } } for (j = 0; j < y_dim/2; j ++) { psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2; pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim; pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim; psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2; 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; } void InitLookupTable() //提前计算所有可能的值 { 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; }
bmp2yuv.h代码
#ifndef BMP2YUV_H_ #define BMP2YUV_H_ void ReadRGB(unsigned char * rgbbuf, FILE *bmpfile, BITMAPFILEHEADER &file_h ,BITMAPINFOHEADER & info_h ); int RGB2YUV (int x_dim, int y_dim, void *bmp, void *y_out, void *u_out, void *v_out, int flip); void InitLookupTable(); #endif
实验结果与总结
运行结果如图:bitCount | BMP | YUV |
---|---|---|
24bit | ||
8bit | ||
4bit | ||
1bit |
实验总结
本次实验中应重点掌握的是文件格式的概念、字节序、缓冲区分配、结构体操作、倒序读写文件、函数定义等操作。相关文章推荐
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