从零开始学习音视频编程技术（十五） YUV420P转RGB32

原文地址：http://blog.yundiantech.com/?log=blog&id=19

上一节讲解了YUV420P格式的内容。

我说过，我们不是为了做研究。 平白无故讲了YUV420P的理论知识，要是不做点什么总说不过去吧。 那么，我们就练练刀，写个播放YUV420P的程序吧，将前面保存的YUV420P图像用自己写的播放器播放出来。

这里我们还是一样使用Qt来显示图像。

之前做播放器的时候，是将YUV420P转换成RGB32，然后放到QImage里面显示出来。

由于Qt不支持直接显示YUV的图像。

同样，这里我们也是先将YUV420P转成RGB32。

不过，这次不是用FFMPEG来转，毕竟我们的根本目的不是为了写播放器，只是为了更加了解yuv420p，然后顺带写下这个播放器。 

同样一件事，目的不同，做法也就不同。

因此，我们通过自己写代码来实现YUV420P转RGB32。

YUV420P已经了解了，现在还差RGB32，那就先看看RGB32吧：

R代表red、G代表green、B代表blue。 他们的取值都是0~255。

所以每一个分量刚好又可以用一个字节来记录了。

这里还需要介绍下ARGB32，RGB就是代表RGB了，A代表的是Alpha（透明度）。

因此一个ARGB32就是有4个分量：A R G B。刚好就是4x8=32位了。

可能是为了兼容性，RGB32的存储方式和ARGB32是一样的，只是RGB32的A分量不存数据，

换句话说就是： ARGB32就是带Alpha通道的RGB32。

下面是我百度到的RGB32的介绍：

    RGB32使用32位来表示一个像素，RGB分量各用去8位，剩下的8位用作Alpha通道或者不用。（ARGB32就是带Alpha通道的RGB32。）注意在内存中RGB各分量的排列顺序为：BGRA BGRA BGRA…。通常可以使用RGBQUAD数据结构来操作一个像素，它的定义为：

typedef struct tagRGBQUAD {
  BYTE    rgbBlue;      // 蓝色分量
  BYTE    rgbGreen;     // 绿色分量
  BYTE    rgbRed;       // 红色分量
  BYTE    rgbReserved;  // 保留字节（用作Alpha通道或忽略）
} RGBQUAD;

这里需要注意的就是：他的排列顺序是  B G R A。

YUV转RGB有一个公式，如下：

YUV(256 级别) 可以从8位 RGB 直接计算：

Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B

U = - 0.1687 R - 0.3313 G + 0.5 B + 128

V = 0.5 R - 0.4187 G - 0.0813 B + 128

反过来，RGB 也可以直接从YUV (256级别) 计算:

R = Y + 1.402 (V-128)

G = Y - 0.34414 (U-128) - 0.71414 (V-128)

B = Y + 1.772 (U-128)

当然，百度一下会发现YUV转RGB的公式还有好多，至于这些公式是怎么得出来的，本人也是没有头绪，经过测试，上面这个公式效果相对好一些。

现在已经掌握了YUV420P的存储方式和RGB32的存储方式，同时也知道了YUV转RGB的公式，要转换也就不难了。

先来回顾下YUV420P的格式：

好了，现在对照这个图，应该很容易就能写出来转换的代码了：

1.为了更加方便的写代码，我们把RGB定义成一个结构体：

typedef  unsigned  char  BYTE ;

typedef  struct  RGB32 {
  BYTE     rgbBlue;       // 蓝色分量
  BYTE     rgbGreen;      // 绿色分量
  BYTE     rgbRed;        // 红色分量
  BYTE     rgbReserved;   // 保留字节（用作Alpha通道或忽略）
} RGB32;

2.转换思路也很清晰了，只需要读取出每一个YUV的像素，然后转换成RGB就行了，代码如下：

void  Yuv2Rgb::Yuv420p2Rgb32( const  BYTE  *yuvBuffer_in, const  BYTE  *rgbBuffer_out, int  width, int  height)
{
    BYTE  *yuvBuffer = ( BYTE  *)yuvBuffer_in;
    RGB32 *rgb32Buffer = (RGB32 *)rgbBuffer_out;

    for  ( int  y = 0; y < height; y++)
    {
        for  ( int  x = 0; x < width; x++)
        {
            int  index = y * width + x;

            int  indexY = y * width + x;
            int  indexU = width * height + y / 2 * width / 2 + x / 2;
            int  indexV = width * height + width * height / 4 + y / 2 * width / 2 + x / 2;

            BYTE  Y = yuvBuffer[indexY];
            BYTE  U = yuvBuffer[indexU];
            BYTE  V = yuvBuffer[indexV];

            RGB32 *rgbNode = &rgb32Buffer[index];

            ///这转换的公式 百度有好多 下面这个效果相对好一些

            rgbNode->rgbRed = Y + 1.402 * (V-128);
            rgbNode->rgbGreen = Y - 0.34413 * (U-128) - 0.71414*(V-128);
            rgbNode->rgbBlue = Y + 1.772*(U-128);
        }
    }
}

注：上述代码仅仅是为了实现功能，并没有考虑任何效率问题。

同时为了提高可读性，将各种Index都分开计算了。

main函数中如下调用：

#include #include
#include
#include
#include
using  namespace  std;

#include "yuv2rgb.h"

int  main()
{
    cout <<  "Hello World!"  << endl;


    FILE  *fp_yuv =  fopen ( "in.yuv" , "rb" );
    FILE  *fp_rgb =  fopen ( "out.rgb32" , "wb" );

    int  width = 1920;
    int  height = 1080;

    int  yuvSize = width * height * 3 /2;
    int  rgbSize = width * height *  sizeof (RGB32);

    BYTE  *yuvBuffer = ( BYTE  *) malloc (yuvSize);
    BYTE  *rgbBuffer = ( BYTE  *) malloc (rgbSize);

    Yuv2Rgb yuv2Rgb;

    DWORD  start = GetTickCount();

    for ( int  i=0;;i++)
    {
        if  ( feof (fp_yuv))  break ;

        int  readedsize =  fread (yuvBuffer,1,yuvSize,fp_yuv);

        DWORD  t1 = GetTickCount();
        yuv2Rgb.Yuv420p2Rgb32(yuvBuffer,rgbBuffer,width,height);
        DWORD  t2 = GetTickCount();

        fprintf (stderr,"%d use  time  = %ld ms
",i,t2-t1);

        fwrite (rgbBuffer,1,rgbSize,fp_rgb);

    }

    DWORD  end = GetTickCount();

    fprintf (stderr,"Finished! use  time  = %ld ms
",end-start);

    return  0;
}

稍等片刻，转换就能结束。

将生成的out.rgb32用yuvplayer打开：

yuvplayer下载地址：http://download.csdn.net/detail/qq214517703/9637191

注：记得在选择文件的时候，将右下角的类型改成所有格式，否则会看不到这个文件：

文件打开之后，如下设置：

发现可以正常播放了，说明转换成功了。

还别高兴的太早，再仔细看下我们的代码，上面加了打印转换每张图片耗费的时间，我的电脑执行后得到如下结果：

可以看出，每张图片都发了大概三四十毫秒的时间，100张图片总共发了5秒钟！

这个速度也太慢了，如果后面再加上编码，那还了得。

显然这个速度必须要优化下。

回过头看下我们转换部分的代码：

发现嵌套了2个循环，因为需要读取每一个像素然后转换成RGB，所以这个循环优化的空间就不大了。

再看看循环里面的内容：

rgbNode->rgbRed = Y + 1.402 * (V-128);
rgbNode->rgbGreen = Y - 0.34413 * (U-128) - 0.71414*(V-128);
rgbNode->rgbBlue = Y + 1.772*(U-128);

全是乘法运算，还是浮点数。看来这个就是罪魁祸首了！

虽然一次乘法运算对于电脑的CPU根本不算什么，但是这里是1920x1080次，这个就相当可怕了！看来积少成多还是有点道理的。

自古以来，就流行牺牲空间换取时间的传统，这里当然也不例外。

前面说过Y U V每个分量的取值都是0~255。那么他们与某个小数相乘之后的结果也就只有256种结果。既然乘法操作是非常耗时的，那么我们就把相乘的结果先计算好，放入一个表中，要用的时候从这个表里面去取，这样就可以快很多了。

首先定义一个数组，用来存放计算好的结果：

unsigned  short  R_Y[COLORSIZE],R_U[COLORSIZE],R_V[COLORSIZE];
unsigned  short  G_Y[COLORSIZE],G_U[COLORSIZE],G_V[COLORSIZE];
unsigned  short  B_Y[COLORSIZE],B_U[COLORSIZE],B_V[COLORSIZE];

然后在写一个初始化的函数

//表的初始化
void  Yuv2Rgb::table_init()
{
    int  i;
    for (i = 0; i < COLORSIZE; i++)
    {
        ///R = Y + 1.402 * (V-128);
        //R_Y[i] = 0; //没有
        //R_U[i] = 0; //没有
        R_V[i] = 1.402 * (i-128);

        ///G = Y - 0.34413 * (U-128) - 0.71414*(V-128);
        //G_Y[i] = 0;
        G_U[i] = 0.34413 * (i-128);
        G_V[i] = 0.71414 * (i-128);

        /// = Y + 1.772*(U-128);
        //B_Y[i] = 0;
        B_U[i] = 1.772 * (i-128);
        //B_V[i] = 0;
    }
}

这里采用代码的方式来初始化表，而不是直接将最终的结果写入。是因为：

1. 这样就几句代码，可读性强。

2. 初始化函数我们只需要执行一次，因此这个时间是可以接受的。

3. 后期要修改转换的算法也简单方便。

转换函数如下：

///这个是优化的版本
void  Yuv2Rgb::Yuv420p2Rgb32( const  BYTE  *yuvBuffer_in, const  BYTE  *rgbBuffer_out, int  width, int  height)
{
    BYTE  *yuvBuffer = ( BYTE  *)yuvBuffer_in;
    RGB32 *rgb32Buffer = (RGB32 *)rgbBuffer_out;

    int  w_h = width * height; //width * height的值
    int  w_h_4 = width * height / 4; //width * height / 4 的值

    for  ( int  y = 0; y < height; y++)
    {
        int  y_width = y * width;  //y乘以width的值
        int  y_width_2_2 = y / 2 * width / 2;  //y / 2 * width / 2

        for  ( int  x = 0; x < width; x++)
        {
            int  index = y_width + x;

            int  x_2 = x/2;

            int  indexU = w_h + y_width_2_2 + x_2;
            int  indexV = w_h + w_h_4 + y_width_2_2 + x_2;

            BYTE  Y = yuvBuffer[index];
            BYTE  U = yuvBuffer[indexU];
            BYTE  V = yuvBuffer[indexV];

            RGB32 *rgbNode = &rgb32Buffer[index];

            ///这转换的公式 百度有好多 下面这个效果相对好一些

            rgbNode->rgbRed = Y + R_V[V];
            rgbNode->rgbGreen = Y - G_U[U] - G_V[V];
            rgbNode->rgbBlue = Y + B_U[U];

        }
    }
}

调用的方式和之前一样，但别忘了初始化表：

Yuv2Rgb yuv2Rgb;
yuv2Rgb.table_init();  //执行一次表的初始化

这样优化后的效果比直接稍微快了一些(100张图片大概快了一秒多一点)，虽然还不是很理想，不过仔细一想1000张就能快10秒了，勉强有点用。

目前我只能想到这样的优化方法了，如果要效率高些，可以直接使用ffmpeg来转换，我们实际中基本上也是直接使用ffmpeg来操作的。

FFMPEG转换的代码如下：

    int  yuvSize = width * height * 3 /2;
    BYTE  *yuvBuffer = ( BYTE  *) malloc (yuvSize);

    AVFrame *pFrame = av_frame_alloc();
    AVFrame *pFrameRGB = av_frame_alloc();
    int  numBytes = avpicture_get_size(PIX_FMT_RGB32, width,height);

    uint8_t * rgbBuffer = (uint8_t *) av_malloc(numBytes *  sizeof (uint8_t));
    avpicture_fill((AVPicture *) pFrameRGB, rgbBuffer, PIX_FMT_RGB32,width, height);

    avpicture_fill((AVPicture *) pFrame, yuvBuffer, AV_PIX_FMT_YUV420P, width, height);

    SwsContext *img_convert_ctx = sws_getContext(width, height, AV_PIX_FMT_YUV420P, width, height, PIX_FMT_RGB32, SWS_BICUBIC, NULL, NULL, NULL);

    int  rgbSize = numBytes;


    for ( int  i=0;;i++)
    {
        if  ( feof (fp_yuv))  break ;

        int  readedsize =  fread (yuvBuffer,1,yuvSize,fp_yuv);

        DWORD  t1 = GetTickCount();

        sws_scale(img_convert_ctx,
                (uint8_t  const  *  const  *) pFrame->data,
                pFrame->linesize, 0, height, pFrameRGB->data,
                pFrameRGB->linesize);


        DWORD  t2 = GetTickCount();

        fprintf (stderr,"%d use  time  = %ld ms
",i,t2-t1);

        fwrite (rgbBuffer,1,rgbSize,fp_rgb);
    }

会发现FFMPEG速度快好多，并且转换后的效果也好很多。。哈哈。。果然还是FFMPEG好用。

本文的目的主要是为了加深对YUV420P的认识，因此我们自己的代码就不去完善它了。

yuv420p转rgb完整工程：http://download.csdn.net/detail/qq214517703/9642041

加上了Qt显示功能的完整工程（Qt播放YUV420P文件）:

http://download.csdn.net/detail/qq214517703/9642365