数据压缩实验二：BMP2YUV文件转换

一、基本原理

BMP文件的组成格式主要由4部分构成：位图头文件数据结构、位图信息数据结构、调色板和位图数据。

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；

位图文件头主要包括：（WORD--2字节，DWORD--4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*/
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；

位图信息头主要包括：（WORD--2字节，DWORD--4字节，LONG--2字节）

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。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。

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。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是对齐的。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。



这是一张1bitBMP格式的图片的二进制显示：

bfType:0x424D(BMP)

bfSize(图像大小):0x0002BF5E(数据存放时低位在前高位在后)（180062字节）

bfOffBits（字节偏移量）:0x0000003E（62字节）

biSize(结构体所需字节数):0x00000028（40字节）

biWidth(图像宽度):0x00000640（1600像素）

biHeight(图像高度):0x00000384（900像素）

biBitCount:0x0001(1bit)

bitCompression:0x0000(无压缩)

bitSizeImage:0x0002BF20(180000字节)

c7af
bitSizeImage=biWidth*biHeight*(biBitCount/8)

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

读位文件头，判断是否可读出以及是否是BMP文件；然后读位图信息头，判断是否可以读出；再判断像素的实际点阵数；开辟缓冲区，读数据，倒序存放；最后根据每像素位数的不同，执行不同的操作：24/32bit-直接取像素数据写RGB缓冲区；16bit-位与移位取像素数据转换为8bit/彩色分量;8bit及以下-构造调色板，位与移位取像素数据查调色板写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、关键代码及其分析

1.程序初始化（打开两个文件，定义变量和缓冲区等）

FILE *bmpFile = NULL, *yuvFile = NULL;
BITMAPFILEHEADER File_header;
BITMAPINFOHEADER Info_header;

unsigned char * rgbBuf = NULL;
unsigned char * yBuf = NULL;
unsigned char * uBuf = NULL;
unsigned char * vBuf = NULL;
int flip = 0;//flip=0使RGB2YUV函数倒序存放
int FrameCount = 200;
for (int j = 1; j < 6; j++)//输入五张格式为BMP的图像
{
if ((bmpFile = fopen(argv[j], "rb")) == NULL)//打开BMP文件，共5个
{
printf("bmp file open failed!");
exit(0);
}
if ((yuvFile = fopen(argv[6], "ab+")) == NULL)//打开YUV文件
{
printf("yuv file failed!");
exit(0);
}

int width;
int height;
if ((Info_header.biWidth % 4) == 0)
width = Info_header.biWidth;
else
width = (Info_header.biWidth*Info_header.biBitCount + 31) / 32 * 4;
//加31再除以32后下取整，保证计算结果是离这个数最近的而且是比它大的32的倍数，即为4字节的整数倍。乘以4和行数，得到4字节整数倍的图像大小。 
if ((Info_header.biHeight % 2) == 0)
height = Info_header.biHeight;
else
height = Info_header.biHeight + 1;

rgbBuf = (unsigned char *)malloc(height*width * 3);//开辟缓冲区
memset(rgbBuf, 0, height*width * 3);//将rgbBuf清零
yBuf = (unsigned char *)malloc(height*width);
uBuf = (unsigned char *)malloc((height*width) / 4);
vBuf = (unsigned char *)malloc((height*width) / 4);

2.读取BMP文件，抽取或生成RGB数据写入缓冲区

（1）读位图文件头及位图信息头 

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);
}
if (fread(&Info_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile) != 1)
{
printf("read info header error!");
exit(0);

（2）根据每像素位数的不同，执行不同的操作

void BMP2RGB(BITMAPFILEHEADER & file_h, BITMAPINFOHEADER & info_h, FILE * pFile, unsigned char * rgb_out)
{
unsigned long Loop, i, j, width, height, w, h;
unsigned char mask, *Index_Data, *Data;
mask = NULL;

if ((info_h.biWidth % 4) == 0)
w = info_h.biWidth;
else
w = (info_h.biWidth*info_h.biBitCount + 31) / 32 * 4;
if ((info_h.biHeight % 2) == 0)
h = info_h.biHeight;
else
h = info_h.biHeight + 1;

width = w / 8 * info_h.biBitCount;
height = h;

Index_Data = (unsigned char *)malloc(height*width);
Data = (unsigned char *)malloc(height*width);

fseek(pFile, file_h.bfOffBits, 0);//pFile指向以0为基准，偏移file_h.bfOffBits（指针偏移量）个字节的位置
if (fread(Index_Data, height*width, 1, pFile) != 1)
{
printf("read file error!");
exit(0);
}
for (i = 0; i < height; i++)
for (j = 0; j < width; j++)
{
Data[i*width + j] = Index_Data[i*width + j];
}
RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned int)pow(2, (float)info_h.biBitCount));

if (info_h.biBitCount == 24)
{
memcpy(rgb_out, Data, height*width);//从Data所指的内存地址的起始位置开始拷贝height*width个字节到目标rgb_out所指的内存地址的起始位置中
}

if (info_h.biBitCount == 16)
{
for (Loop = 0; Loop < height * width; Loop += 2)
{
*rgb_out = (Data[Loop] & 0x1F) << 3;
*(rgb_out + 1) = ((Data[Loop] & 0xE0) >> 2) + ((Data[Loop + 1] & 0x03) << 6);
*(rgb_out + 2) = (Data[Loop + 1] & 0x7C) << 1;
rgb_out += 3;
}
}

for (Loop = 0; Loop<height*width; Loop++)
{
switch (info_h.biBitCount)
{
case 1:
mask = 0x80;
break;
case 2:
mask = 0xC0;
break;
case 4:
mask = 0xF0;
break;
case 8:
mask = 0xFF;
}

int shiftCnt = 1;

while (mask)
{
unsigned char index = mask == 0xFF ? Data[Loop] : ((Data[Loop] & mask) >> (8 - shiftCnt * info_h.biBitCount));

*rgb_out = pRGB[index].rgbBlue;
*(rgb_out + 1) = pRGB[index].rgbGreen;
*(rgb_out + 2) = pRGB[index].rgbRed;

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

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, (float)info_h.biBitCount))
{
fseek(pFile, sizeof(BITMAPFILEHEADER) + info_h.biSize, 0);
fread(pRGB_out, sizeof(RGBQUAD), (unsigned int)pow(2, (float)info_h.biBitCount), pFile);
return true;
}
else
return false;
}

3.调用RGB2YUV的函数实现RGB到YUV数据的转换

#include "stdlib.h"
#include "bmp2yuv1.h"

static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];

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 2
if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1;
size = x_dim * y_dim;

// allocate memory
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(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 YUV
if (!flip) {//flip=0执行倒序
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 {
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 UV
for (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;
}

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;
}

4.写YUV文件

for (int k = 0; k < 40; k++)
{
fwrite(yBuf, 1, width * height, yuvFile);
fwrite(uBuf, 1, (width * height) / 4, yuvFile);
fwrite(vBuf, 1, (width * height) / 4, yuvFile);
}

此段代码是放在【1.程序初始化（打开两个文件，定义变量和缓冲区等）】中的大循环中的，通过循环不断写入。

5.关闭文件释放缓冲区

if (yBuf != NULL) free(yBuf);
if (uBuf != NULL) free(uBuf);
if (vBuf != NULL) free(vBuf);
if (rgbBuf != NULL) free(rgbBuf);
fclose(bmpFile);
fclose(yuvFile);

注意bmp2rgb.cpp中也要释放缓冲区

free(Index_Data);
free(Data);
free(pRGB);

四、实验结果及分析

从左到右依次为：原图、24bit、16bit、8bit、4bit、1bit。



24bit表示256*256*256种颜色，2个像素用3个字节（24bit）存储；

16bit表示65536种颜色，1个像素用2个字节（16bit）存储；

8bit表示256种颜色，1个像素用1个字节（8bit）存储；

1bit是单色位图，只能表示2种颜色，1个像素用1个bit存储。



分辨率：1600*900

24bit 



16bit



8bit



4bit



1bit

五、实验中出现的问题

“FILE”未定义

编译后发现有一个错误指向头文件中函数定义里的“FILE”，错误是没有定义。经过查看，FILE是定义在stdio.h中，所以将它include即可编译成功。