【总结】关于YUV-RGB格式转换的一些个人理解

　　这段时间一直在研究YUV的格式问题例如YUV422、YUV420，在网上搜索了很多这方面的资料，发现很多资料讲的东西是重复的，没有比较深入的讲解，所以看了之后印象不是很深，过了一段时间之后又对它们有了困惑。所以就有了一个想法，打算自己写一个c语言小程序，通过对BMP文件的RGB数据读取，然后将得到的RGB数据转换成为YUV格式的文件，然后用YUV的播放器打开，查看是否解析正确。(在这里，BMP文件我选择了24bpp的格式，为了方便。)通过这样的方式，正向和逆向学习来加深YUV文件的认识。

经过了2天的努力，从想法到实践，终于完成了YUV422和YUV420的生成，基本上对YUV的几种常见格式有了一些深入的看法，由于本人的水平有限，如果理解有出入，还请各位网友能够指出。

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一、基本思路

先附上主要程序的流程图：

　　　　

在正式讲解代码前，我们先来了解YUV的分类 ：

• packed: 打包模式，即Y、U、V数据是连续排布的
• planar:  平面模式，即Y、U、V是各自分开存放的
• semi-planar: 半平面模式，即Y单独存放, UV一起存放

上面的3种是主要内存排布的分类，至于详细的排布如下（主要是YUV422、YUV420）：（我们使用一张分辨率为 height*width的图片为例子）

YUV422 planar:

整个YUV文件中，Y、U、V是一个大数组，而其中我们可以看成是三个小数组，分别是Y数组（长度为Height*Width）、U数组（长度为Height*Width/2）、V数组（长度为Height*Width/2）。

YUV422 Semi planar:

YUV420 planar :

整个YUV文件中，Y、U、V是一个大数组，而其中我们可以看成是三个小数组，分别是Y数组（长度为Height*Width）、U数组（长度为Height*Width/4）、V数组（长度为Height*Width/4）。

 YUV420 semi planar:

420planar和420semi-planar的区别：

通过上面的示例，我们就可以知道Y、U、V数据在内存中的排布。那么我们怎么将RGB数据转换成为YUV数据呢？先别急，我们需要获取RGB数据，那么问题来了，怎么样得到RGB数据呢？我们使用的方法是读取BMP文件中的RGB数据（BMP是一种未经过压缩的图片格式）。所以接下来，我们就需要通过读取BMP文件，来得到RGB数据。关于BMP的文件格式，本文不讲解，网上有很多讲解的实例，我们会在后面的代码贴出我们的获取RGB的方式。至于后面RGB转换成为YUV的部分，我们也通过代码进行讲解。整个工程中使用了一些常用的C语言的技巧，包括文件操作、函数指针+回调、指针运算、字节对齐+编译器指令+倒序读取BMP等，同时后面会将工程放在github上面。

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二、实验代码

先来看一些宏定义，这些宏定义主要是为了方便读代码和灵活性：

 // PIX_SIZE 表示的是图片的像素大小，例如一张分辨率为320*240的图片，它的(PIX_SIZE)=320*240
 // 下面的宏表示 3种YUV格式 所占用的内存空间大小
 #define YUV444MEMORY_SIZE(PIX_SIZE) ( (PIX_SIZE)*3 )
 #define YUV422MEMORY_SIZE(PIX_SIZE) ( (PIX_SIZE)*2 )
 #define YUV420MEMORY_SIZE(PIX_SIZE) ( (PIX_SIZE)*3/2 )

 /**< 下面的宏是基于planar格式的 */
 // yuv420中的U分量起始的偏移量
 #define YUV420MEMORY_U_OFFSET(PIX_SIZE) ( (PIX_SIZE) )
 // yuv420中的V分量起始的偏移量
 #define YUV420MEMORY_V_OFFSET(PIX_SIZE) ( YUV420MEMORY_U_OFFSET(PIX_SIZE) + (PIX_SIZE)*1/4 )

 // yuv422中的U分量起始的偏移量
 #define YUV422MEMORY_U_OFFSET(PIX_SIZE) ( (PIX_SIZE) )
 // yuv422中的V分量起始的偏移量
 #define YUV422MEMORY_V_OFFSET(PIX_SIZE) ( YUV422MEMORY_U_OFFSET(PIX_SIZE) + (PIX_SIZE)*1/2 )

 // yuv444中的U分量起始的偏移量
 #define YUV444MEMORY_U_OFFSET(PIX_SIZE) ( (PIX_SIZE) )
 // yuv444中的V分量起始的偏移量
 #define YUV444MEMORY_V_OFFSET(PIX_SIZE) ( YUV444MEMORY_U_OFFSET(PIX_SIZE) + (PIX_SIZE) )

YUV相关宏定义

再看看关于BMP的相关定义及对外的接口函数：

 #ifndef _BMP_H
 #define _BMP_H

 #include "common.h"

 #pragma pack(1)
 /**< BMP文件头 */
 typedef  struct  BMPHEADER_S {
         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BMPHEADER_S结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量 */
 }BMPHEADER_S;
 /**< BMP文件信息头 */
 typedef struct BMPINFOHEADER_S {
         DWORD    biSize;            /* 说明结构体所需字节数*/
         DWORD    biWidth;           /* 以像素为单位说明图像的宽度*/
         DWORD    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*/
         DWORD    biXPelsPerMeter;   /* 目标设备的水平分辨率，像素/米 */
         DWORD    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。*/
 }BMPINFOHEADER_S;

 /**< 调色板信息 */
 typedef  struct  RGBQUAD_S {
        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_S;

 #pragma pack()

 bool ReadBMPHeader(FILE *fpBMP, BMPHEADER_S *psBMPHeader);
 bool ReadBMPInfoHeader(FILE *fpBMP, BMPINFOHEADER_S *psBMPInfoHeader);
 unsigned long GetBMPPixSize( BMPINFOHEADER_S  sBMPInfoHeader);
 bool ReadRGBFromBMP(FILE *fpBMP, BMPHEADER_S sBMPHeader, BMPINFOHEADER_S sBMPInfoHeader , unsigned char *pucRGBRead);

 #endif // _BMP_H

bmp.h

还有YUV的数据类型和相关函数定义：

 typedef enum YUV_E{
     YUV444 =  ,
     YUV422 ,
     YUV420
 }YUV_E;

 /**< RGB24转换YUV格式的函数指针 */
 typedef int (*FP_RGB24ToYUVFormat)(unsigned char *pucRGBBuffer,int width,int height,unsigned char *pucYUVBuffer);

 int sample_yuv420_split(const char *url, int w, int h,int num);
 int RGB24_TO_YUV444(unsigned char *pucRGBBuffer,int width,int height,unsigned char *pucYUVBuffer);
 int RGB24_TO_YUV420(unsigned char *pucRGBBuffer,int width,int height,unsigned char *pucYUVBuffer);
 int RGB24_TO_YUV422(unsigned char *pucRGBBuffer,int width,int height,unsigned char *pucYUVBuffer);

 bool RGB24_SaveYUVFile(YUV_E eYUV , const char *bmpUrl);

YUV格式和函数

 

下面，我们通过一个RGB24转换YUV420的函数进行示例讲解：

 int RGB24_TO_YUV420(unsigned char *pucRGBBuffer,int width,int height,unsigned char *pucYUVBuffer)
 {
     unsigned char y, u, v; /**< 一个像素点对应的YUV分量 */
     unsigned char *pucY, *pucU, *pucV; /**< Y、U、V数组对应的指针 */
     unsigned char r, g, b; /**< 一个像素点对应的RGB分类 */
     unsigned char *pucRGB; /**< RGB24对应的指针 */

     int iY =  ;
     int iX =  ;
     //存储空间大小 Y : width*height ; U : width/2 * height/2 ; V : width/2 * height/2
     pucY = pucYUVBuffer;
     pucU = pucYUVBuffer + width*height; /**< U数组在YUV数组的偏移量 */
     pucV = pucU + (width*height*/);   /**< V数组在YUV数组的偏移量 */

     for (iY = ; iY < height;iY++){
         pucRGB = pucRGBBuffer + width*iY* ;

         for ( iX = ;iX < width ; iX++){
             /**< 读取像素点的RGB分量 */
             r = *(pucRGB++);
             g = *(pucRGB++);
             b = *(pucRGB++);
             /**< 通过公式将RGB转换成为YUV */
             y = (unsigned char)( (  * r +  * g +   * b + ) >> ) +   ;
             u = (unsigned char)( ( - * r -   * g +  * b + ) >> ) +  ;
             v = (unsigned char)( (  * r -   * g -   * b + ) >> ) +  ;
             /**< Y分量直接写入Y数组 */
             *(pucY++) = clip_value(y,,);

             // 采样: 水平一半，垂直一半，实验证明这两种方式都可以
             if ( iY%== && iX% == ){
                 /**< 偶数行偶数列时将U分量写入U数组，即一个4*4方块的左上角 */
                 /*
                  *     0   1   2   3
                  *   ————————————————————
                  *0  | U |   | U |   |
                  *   -------------------
                  *1  |   |   |   |   |
                  *   ————————————————————
                  */

                 *(pucU++) = clip_value(u,,);
             }
             else{ /**< else表示奇数行的情况 */
                 /**<  奇数行偶数列时将U分量写入U数组，即一个4*4方块的左下角*/
                  /*
                  *     0   1   2   3
                  *   ————————————————————
                  *0  |   |   |   |   |
                  *   -------------------
                  *1  | V |   | V |   |
                  *   ————————————————————
                  */
                 if ( iX% ==  ){
                     *(pucV++) = clip_value(v,,);
                 }
             }
         }
     }
     return ;
 }

RGB24_TO_YUV420

为了方便理解，我画了一张图：

　　上面的这张图以及比较清晰的展示了RGB转换成为YUV的过程，先是从RGB数组中读取一个像素的R、G、B分量，然后通过公式转换成为对应的Y、U、V分量，直接将Y分量写入对应的Y数组；当满足偶数行偶数列时（即一个4*4方格）取一个U分量，写入U数组；当满足奇数行偶数列时（4*4方格的左下角）取V分量，写入V数组。经过二重循环，就可以完成整个RGB到YUV420的转换。至于RGB转换YUV的公式可以去网上找。

　　通过上面的例子，如果是RGB24转换成为YUV422，我觉得就应该好理解了，和转换成为YUV420的过程类似，但是什么时候取U分量和什么时候取V分量不同而已，具体的可以看最后的工程来验证你的想法。  附上github地址：

https://github.com/qibaowei-guet/RGB24-To-YUV.git （注意：源工程是通过codeblock创建的）

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三、总结

　　实验效果：（通过7yuv软件打开，地址：http://datahammer.de/）

只显示Y分量：

　　

YUV分量全部显示：

　　

原始的BMP文件：

　　

通过比对，可以看到YUV文件的显得比较淡，这主要是因为我们选取的转换公式的原因，公式的细节不深究。毕竟我们不是专门研究这些公式的专家。

　　最后，因为YUV格式很多，名称也很多，也不是每一种格式我们在工作的时候都会用到，所以，我们只需要掌握一些基本的就够了。个人觉得，如果对这些格式的YUV内存排布如果认识不深，那么在做一些转换的时候，会出现很多的问题，虽然现在也有一些现成的第三方库给我们调用，方便我们进行各种格式的转换，但是基本的原理还是需要懂得的，否则到真正出现问题还是不能很快解决的。