RGB与YUV图像视频格式的相互转换

内容摘要：通过本文您可以学习到如何把图像转换为电视视频格式，笔者以一张24位BMP图像为例实现RGB与YUV相互转换。如果您对图像转换成电视场制的视频格式有疑惑，相信本文能使您了解更多关于图像与视频格式转换的细节。 \

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　　显示器图像显示概述：

　　我们知道普通彩色CRT显示器内部有三支电子枪，电子枪去激活显示器屏幕的荧光粉，三种荧光粉发射出的光生成一个像素位置的颜色点，这就是我们人眼能看到的一个像素。每个像素对应红、绿、蓝（R、G、B）三个强度等级，每个像素占用24位，可以显示近1700 万种颜色，这就是我们所说的真彩色。

　　普通彩色CRT显示器是基于电视技术的光栅扫描，电子束一次扫描一行，从顶到底依次扫描，整个屏幕扫描一次（我们称它为1帧），电子束扫描完一帧后回到最初位置进行下一次扫描。

　　电视图像显示概述：

　　电视显示原理与CRT相似，不过采用的是隔行扫描，我国的广播电视采用的是625行隔行扫描方式。隔行扫描是将一帧图像分两次（场）扫描。第一场先扫出1、3、5、7…等奇数行光栅，第二场扫出2、4、6、8…等偶数行光栅。通常将扫奇数行的场叫奇数场(也称上场)，扫偶数行的场叫偶数场(也称下场)。为什么电视会选择隔行扫描，这是因为会使显示运动图像更平滑。下面两图为一帧图像的上场和下场的扫描过程。

　　

　　(图1 上场扫描)

　　

　　(图2 下场扫描)

　　常见的电视的制式有三种：NTSC、PAL、SECAM，我国的广播电视采用PAL制式，我国电视制式的帧频只有50HZ和我们日常使用的电流频率一样，PAL帧频为25fps，在文章后面我会以一张720x576的图像转换为720x 576 PAL隔行扫描的电视场视频格式作详细描述。

　RGB介绍：

　　在记录计算机图像时，最常见的是采用RGB(红、绿，蓝)颜色分量来保存颜色信息，例如非压缩的24位的BMP图像就采用RGB空间来保存图像。一个像素24位，每8位保存一种颜色强度(0-255)，例如红色保存为 0xFF0000。

　　YUV介绍：

　　YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，我国广播电视也普遍采用这类方法。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma）。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

　　隔行读取BMP：

　　下面我说明如何隔行读取BMP图像，为什么我以BMP图像来作演示，因为BMP可以说是最简单的一种图像格式，最容易用它说明原理，那公为什么要用BMP来演示隔行读取呢，因为要实现RGB转电视场制图像，首先就要知识如何隔行读取。

　　BMP图像颜色信息的保存顺序是由左到右，由下往上，您可以执行一下附带程序的 (功能菜单->读取RGB) 看到图像的读取和显示过程。代码首先依次显示奇数行像素，如(1，3，5，7，9….行)，完成后再依次显示偶数行像素，代码实现如下：

// 隔行显示BMP
void CRGB2YUVView::OnReadBmp()
{
　　// TODO: Add your command handler code here
　　CDC *pDC = GetDC();
　　
　　CRect rect;
　　CBrush brush(RGB(128,128,128));
　　GetClientRect(&rect);
　　pDC->FillRect(&rect, &brush);
　　BITMAPFILEHEADER bmfh;
　　BITMAPINFOHEADER bmih;
　　char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.bmp";
　　CFile* f;
　　f = new CFile();
　　f->Open(strFileName, CFile::modeRead);
　　f->SeekToBegin();
　　f->Read(&bmfh, sizeof(bmfh));
　　f->Read(&bmih, sizeof(bmih));
　
　　// 分配图片像素内存
　　RGBTRIPLE *rgb;
　　rgb = new RGBTRIPLE[bmih.biWidth*bmih.biHeight];
　　f->SeekToBegin();
　　f->Seek(54,CFile::begin); // BMP 54个字节之后的是像素数据
　　f->Read(rgb, bmih.biWidth * bmih.biHeight * 3);　　 // 这里只读24位RGB(r,g,b)图像
　　
　　// 显示上场 (奇数行组成的奇数场)
　　for (int i = 0; i<bmih.biHeight; i++) {
　　　　for (int j = 0; j<bmih.biWidth; j++) {
　　　　　　if(!(i%2))
　　　　　　　　pDC->SetPixel(j, bmih.biHeight-i,
　　　　　　　　 RGB(rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtRed,
　　　　　　　　 rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtGreen,rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtBlue));
　　　　　　for (int k=0; k<1000; k++) ;　//延时
　　　　}
　　}
　　Sleep(500);
　　// 显示下场 (偶数行组成的偶数场)
　　for (int i_ = 0; i_<bmih.biHeight; i_++) {
　　　　for (int j_ = 0; j_<bmih.biWidth; j_++) {
　　　　　　if(i_%2)
　　　　　　　　pDC->SetPixel(j_, bmih.biHeight-i_,
　　　　　　　　RGB(rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtRed,
　　　　　　　　rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtGreen,
　　　　　　　　rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtBlue));
　　　　　　for (int k=0; k<1000; k++) ;　//延时
　　　　}
　　}
　　// 显示24位BMP信息
　　LONG dwWidth = bmih.biWidth;
　　LONG dwHeight = bmih.biHeight;
　　WORD wBitCount = bmih.biBitCount;
　　char buffer[80];
　　sprintf(buffer,"图像宽为：%ld 高为：%ld 像数位数：%d", dwWidth, dwHeight, wBitCount);
　　MessageBox(buffer, "每个像素的位数", MB_OK | MB_ICONINFORMATION);
　　
　　f->Close();
　　delete f;
　　delete rgb;
}RGB转YUV

在整个视频行业中，定义了很多 YUV 格式，我以UYVY格式标准来说明，4:2:2 格式UYVY每像素占16 位，UYVY字节顺序如下图：

　　

　　(图3 UYVY字节顺序)

　　其中第一个字节为U0，每二个字节为Y0，依次排列如下：

　　[U0，Y0，U1，Y1] [U1，Y2，V1，Y3] [U2，Y4，V2，Y5] ……

　　经过仔细分析，我们要实现RGB转YUV格式的话，一个像素的RGB占用三个节，而UYVY每像素占用两个字节，我演示直接把UYVY字节信息保存到*.pal格式中（这是我自己写来测试用的^_^），*.pal格式中，先保存上场像素，接着保存下场像素，如果是720x576的一张图像转换为YUV格式并保存的话，文件大小应该是829,440字节(720*576*2)。您可以执行本文附带的程序 (功能菜单->转换并写入YUV两场) 查看转换过程。

　　RGB转UYVY公式如下：

　　公式：(RGB => YCbCr)

　　Y = 0.257R′ + 0.504G′ + 0.098B′ + 16

　　Cb = -0.148R′ - 0.291G′ + 0.439B′ + 128

　　Cr = 0.439R′ - 0.368G′ - 0.071B′ + 128

　　代码实现：

// RGB转换为YUV
void CRGB2YUVView::RGB2YUV(byte *pRGB, byte *pYUV)
{
　　byte r,g,b;
　　r = *pRGB; pRGB++;
　　g = *pRGB; pRGB++;
　　b = *pRGB;
　　
　　*pYUV = static_cast<byte>(0.257*r + 0.504*g + 0.098*b + 16);　　pYUV++;　 // y
　　*pYUV = static_cast<byte>(-0.148*r - 0.291*g + 0.439*b + 128);　pYUV++;　 // u
　　*pYUV = static_cast<byte>(0.439*r - 0.368*g - 0.071*b + 128);　　　　　　 // v
}像素转换实现：// 转换RGB
void CRGB2YUVView::OnConvertPAL()
{
　　CDC *pDC = GetDC();
　　CRect rect;
　　CBrush brush(RGB(128,128,128));
　　GetClientRect(&rect);
　　pDC->FillRect(&rect, &brush);
　　// PAL 720x576 : 中国的电视标准为PAL制　　
　　int CurrentXRes = 720;
　　int CurrentYRes = 576;
　　int size　　　　= CurrentXRes * CurrentYRes;
　　
　　// 分配内存
　　byte *Video_Field0 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);
　　byte *Video_Field1 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);
　　
　　// 保存内存指针
　　byte *Video_Field0_ = Video_Field0;
　　byte *Video_Field1_ = Video_Field1;
　　byte yuv_y0, yuv_u0, yuv_v0, yuv_v1;　// {y0, u0, v0, v1};
　　byte bufRGB[3];　// 临时保存{R,G,B}
　　byte bufYUV[3];　// 临时保存{Y,U,V}
　　// 初始化数组空间
　　ZeroMemory(bufRGB, sizeof(byte)*3);
　　ZeroMemory(bufYUV, sizeof(byte)*3);
　　// 初始化内存
　　ZeroMemory(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes);
　　ZeroMemory(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes);
　　
　　// BMP 位图操作
　　BITMAPFILEHEADER bmfh;
　　BITMAPINFOHEADER bmih;
　　char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.bmp";
　　CFile* f;
　　f = new CFile();
　　f->Open(strFileName, CFile::modeRead);
　　f->SeekToBegin();
　　f->Read(&bmfh, sizeof(bmfh));
　　f->Read(&bmih, sizeof(bmih));
　　// 分配图片像素内存
　　RGBTRIPLE *rgb;
　　rgb = new RGBTRIPLE[bmih.biWidth*bmih.biHeight];
　　f->SeekToBegin();
　　f->Seek(54,CFile::begin);　// BMP 54个字节之后的是位像素数据
　　f->Read(rgb, bmih.biWidth * bmih.biHeight * 3);　　 // 这里只读24位RGB(r,g,b)图像
　　
　　// 上场　(1,3,5,7...行)
　　for (int i = bmih.biHeight-1; i>=0; i--) {
　　　　for (int j = 0; j<bmih.biWidth; j++) {
　　　　　　if(!(i%2)==0)
　　　　　　{
　　　　　　　　bufRGB[0] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtRed;　 //　　R
　　　　　　　　bufRGB[1] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtGreen; // G
　　　　　　　　bufRGB[2] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtBlue;　// B
　　　　　　　　// RGB转换为YUV
　　　　　　　　RGB2YUV(bufRGB,bufYUV);
　　　　　　　　yuv_y0 = bufYUV[0];　 // y
　　　　　　　　yuv_u0 = bufYUV[1];　 // u
　　　　　　　　yuv_v0 = bufYUV[2];　 // v
　　　　　　　　
　　　　　　　　for (int k=0; k<1000; k++) ;　//延时
　　　　　　　　// 视图中显示
　　　　　　　　pDC->SetPixel(j, (bmih.biHeight-1)-i, RGB(bufRGB[0], bufRGB[1], bufRGB[2]));
　　　　　　　　
　　　　　　　　// UYVY标准　[U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]
　　　　　　　　// 每像素点两个字节，[内]为四个字节
　　　　　　　　if ((j%2)==0)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　*Video_Field0 = yuv_u0;　
　　　　　　　　　　Video_Field0++;
　　　　　　　　　　yuv_v1 = yuv_v0;　 // v保存起来供下一字节使用
　　　　　　　　}
　　　　　　　　else
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　*Video_Field0 = yuv_v1;　
　　　　　　　　　　Video_Field0++;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　*Video_Field0 = yuv_y0;　　　
　　　　　　　　Video_Field0++;
　　　　　　}// end if i%2
　　　　}
　　}
　　// 下场 (2,4,6,8...行)
　　for (int i_ = bmih.biHeight-1; i_>=0; i_--) {
　　　　for (int j_ = 0; j_<bmih.biWidth; j_++) {
　　　　　　if((i_%2)==0)
　　　　　　{
　　　　　　　　bufRGB[0] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtRed;　 //　　R
　　　　　　　　bufRGB[1] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtGreen; // G
　　　　　　　　bufRGB[2] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtBlue;　// B
　　　　　　　　// RGB转换为YUV
　　　　　　　　RGB2YUV(bufRGB,bufYUV);
　　　　　　　　yuv_y0 = bufYUV[0];　 // y
　　　　　　　　yuv_u0 = bufYUV[1];　 // u
　　　　　　　　yuv_v0 = bufYUV[2];　 // v
　　　　　　　　for (int k=0; k<1000; k++) ;　//延时
　　　　　　　　// 视图中显示
　　　　　　　　pDC->SetPixel(j_, (bmih.biHeight-1)-i_, RGB(bufRGB[0], bufRGB[1], bufRGB[2]));
　　　　　　　　// UYVY标准　[U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]
　　　　　　　　// 每像素点两个字节，[内]为四个字节
　　　　　　　　if ((j_%2)==0)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　*Video_Field1 = yuv_u0;　
　　　　　　　　　　Video_Field1++;
　　　　　　　　　　yuv_v1 = yuv_v0;　 // v保存起来供下一字节使用
　　　　　　　　}
　　　　　　　　else
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　*Video_Field1 = yuv_v1;　
　　　　　　　　　　Video_Field1++;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　*Video_Field1 = yuv_y0;　　　
　　　　　　　　Video_Field1++;
　　　　　　}
　　　　}
　　}
　　// 关闭BMP位图文件
　　f->Close();
　　WriteYUV(Video_Field0_, Video_Field1_, size);
　　
　　// 释放内存
　　free( Video_Field0_ );
　　free( Video_Field1_ );
　　delete f;
　　delete rgb;
}

　　YUV转RGB

　　关于YUV转换为RGB公式，我直接使用一篇文章提供的公式，经过思考，我发觉要想实现准确无误的把YUV转换为原有的RGB图像很难实现，因为我从UYVY的字节顺序来分析没有找到反变换的方法（您找到了记得告诉我哟： liyingjiang@21cn.com ），例如我做了一个简单的测试：假设有六个像素的UYVY格式，要把这12个字节的UYVY要转换回18个字节的RGB，分析如下：

　　12个字节的UYVY排列方式：

　　[U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]

　　完全转换为18个字节的RGB所需的UYVY字节排列如下：

　　[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] [Y4 U4 V4] [Y5 U5 V5]

　　我们可以看到，12个字节的UYVY无法实现，缺少U3 V3 U4 V4。于是我抛开准确无误地把UYVY转换回RGB的想法，直接使用最近的UV来执行转换，结果发觉转换回来的RGB图像用肉眼根本分辩不出原有RGB图像与反变换回来的RGB图像差别，您可以执行本文附带的程序 (功能菜单->读取YUV并显示) 查看效果，下面是反变换公式和代码的实现：

//　反变换公式
　R= 1.0Y + 0 +1.402(V-128)　
　G= 1.0Y - 0.34413 (U-128)-0.71414(V-128)　
　B= 1.0Y + 1.772 (U-128)+0代码实现：void CRGB2YUVView::YUV2RGB(byte *pRGB, byte *pYUV)
{
　　byte y, u, v;
　　y = *pYUV; pYUV++;
　　u = *pYUV; pYUV++;
　　v = *pYUV;
　　*pRGB = static_cast<byte>(1.0*y + 8 + 1.402*(v-128));　　pRGB++;　　　　　　　　 // r
　　*pRGB = static_cast<byte>(1.0*y - 0.34413*(u-128) - 0.71414*(v-128));　pRGB++;　 // g
　　*pRGB = static_cast<byte>(1.0*y + 1.772*(u-128) + 0);　　　　　　　　　　　　　　// b
}
// 读取PAL文件转换为RGB并显示
void CRGB2YUVView::OnReadPAL()
{
　　// TODO: Add your command handler code here
　　CDC *pDC = GetDC();
　　CRect rect;
　　CBrush brush(RGB(128,128,128));
　　GetClientRect(&rect);
　　pDC->FillRect(&rect, &brush);
　　// PAL 720x576 : 中国的电视标准为PAL制　　
　　int CurrentXRes = 720;
　　int CurrentYRes = 576;
　　int size　　　　= CurrentXRes * CurrentYRes;
　　
　　// 分配内存
　　byte *Video_Field0 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);　
　　byte *Video_Field1 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);
　　// 保存内存指针
　　byte *Video_Field0_ = Video_Field0;
　　byte *Video_Field1_ = Video_Field1;
　　// 初始化内存
　　ZeroMemory(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes);
　　ZeroMemory(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes);
　　byte yuv_y0, yuv_u0, yuv_v0; // yuv_v1;　// {y0, u0, v0, v1};
　　byte r, g, b;
　　byte bufRGB[3];　// 临时保存{R,G,B}
　　byte bufYUV[3];　// 临时保存{Y,U,V}
　　
　　// 初始化数组空间
　　memset(bufRGB,0, sizeof(byte)*3);
　　memset(bufYUV,0, sizeof(byte)*3);
　　
　　char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.pal";
　　// 分配图片像素内存
　　RGBTRIPLE *rgb;
　　rgb = new RGBTRIPLE[CurrentXRes*CurrentYRes];
　　memset(rgb,0, sizeof(RGBTRIPLE)*CurrentXRes*CurrentYRes); // 初始化内存空间
　　CFile* f;
　　f = new CFile();
　　f->Open(strFileName, CFile::modeRead);
　　f->SeekToBegin();
　　f->Read(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes);
　　f->Read(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes);
　　// 上场　(1,3,5,7...行)
　　for ( int i = CurrentYRes-1; i>=0; i--) {
　　　　for ( int j = 0; j<CurrentXRes; j++) {
　　　　　　if(!(i%2)==0)
　　　　　　{
　　　　　　　　// UYVY标准　[U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]
　　　　　　　　// 每像素点两个字节，[内]为四个字节
　　　　　　　　if ((j%2)==0)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　yuv_u0 = *Video_Field0;　
　　　　　　　　　　Video_Field0++;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　else
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　yuv_v0 = *Video_Field0;　
　　　　　　　　　　Video_Field0++;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　yuv_y0 = *Video_Field0;　　　
　　　　　　　　Video_Field0++;
　　　　　　　　bufYUV[0] = yuv_y0;　//　　Y
　　　　　　　　bufYUV[1] = yuv_u0;　// U
　　　　　　　　bufYUV[2] = yuv_v0;　// V
　　　　　　　　// RGB转换为YUV
　　　　　　　　YUV2RGB(bufRGB,bufYUV);
　　　　　　　　r = bufRGB[0];　 // y
　　　　　　　　g = bufRGB[1];　 // u
　　　　　　　　b = bufRGB[2];　 // v
　　　　　　　　if (r>255) r=255; if (r<0) r=0;
　　　　　　　　if (g>255) g=255; if (g<0) g=0;
　　　　　　　　if (b>255) b=255; if (b<0) b=0;
　　　　　　　　for (int k=0; k<1000; k++) ;　//延时
　　　　　　　　// 视图中显示
　　　　　　　　pDC->SetPixel(j, CurrentYRes-1-i, RGB(r, g, b));
　　　　　　}// end if i%2
　　　　}
　　}
　　// 下场 (2,4,6,8...行)
　　for ( int i_ = CurrentYRes-1; i_>=0; i_--) {
　　　　for ( int j_ = 0; j_<CurrentXRes; j_++) {
　　　　　　if((i_%2)==0)
　　　　　　{
　　　　　　　　// UYVY标准　[U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]
　　　　　　　　// 每像素点两个字节，[内]为四个字节
　　　　　　　　if ((j_%2)==0)
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　yuv_u0 = *Video_Field1;　
　　　　　　　　　　Video_Field1++;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　else
　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　yuv_v0 = *Video_Field1;　
　　　　　　　　　　Video_Field1++;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　yuv_y0 = *Video_Field1;　　　
　　　　　　　　Video_Field1++;
　　　　　　　　bufYUV[0] = yuv_y0;　//　　Y
　　　　　　　　bufYUV[1] = yuv_u0;　// U
　　　　　　　　bufYUV[2] = yuv_v0;　// V
　　　　　　　　// RGB转换为YUV
　　　　　　　　YUV2RGB(bufRGB,bufYUV);
　　　　　　　　r = bufRGB[0];　 // y
　　　　　　　　g = bufRGB[1];　 // u
　　　　　　　　b = bufRGB[2];　 // v
　　　　　　　　if (r>255) r=255; if (r<0) r=0;
　　　　　　　　if (g>255) g=255; if (g<0) g=0;
　　　　　　　　if (b>255) b=255; if (b<0) b=0;
　　　　　　　　for (int k=0; k<1000; k++) ;　//延时
　　　　　　　　// 视图中显示
　　　　　　　　pDC->SetPixel(j_, CurrentYRes-1-i_, RGB(r, g, b));
　　　　　　}
　　　　}
　　}
　　
　　// 提示完成
　　char buffer[80];
　　sprintf(buffer,"完成读取PAL文件：%s ", strFileName);
　　MessageBox(buffer, "提示信息", MB_OK | MB_ICONINFORMATION);
　　// 关闭PAL电视场文件
　　f->Close();
　　
　　// 释放内存
　　free( Video_Field0_ );
　　free( Video_Field1_ );
　　delete f;
　　delete rgb;
}

　　结束语：

　　通过阅读本文，希望能让您理解一些RGB及YUV转换的细节，其实在一些开发包里已经提供了一些函数实现转换，本文只在于说明转换原理，没有对代码做优化，也没有对读取和写入格式做一些异常处理，希望您能体凉。YUV的格式非常多且复杂，本文只以UYVY为例，希望能起到抛砖引玉的作用。写本文之前笔者阅读了不少相关的文章不能一一列出，在此对他们无私的把自己的知识拿出来共享表示感谢。本文所带源码您可以直接到我的个人网站下载http://www.cgsir.com 。另外本人专门写了一个AVI转换为YUV视频格式的工具，如果您有需要，可以直接到我个人网站下载或直接与我联系。

　　编程环境：Visual C++6.0 & MFC