彩色空间转换（RGB与YUV格式文件转换）
一、实验原理
1.本次实验是实现YUV格式转换为RGB格式，这里的YUV其实是指数字高清的YCbCr。
根据亮度和色差计算公式，可以得到：
- Y＝0.2990R+0.5870G+0.1140B
- R-Y＝0.7010R-0.5870G-0.1140B
- B-Y＝-0.2990R-0.5870G+0.8860B
2.为使色差信号的动态范围控制在-0.5~+0.5之间，要对色差信号进行归一化处理，得到UV的计算公式：
- U＝-0.1684R-0.3316G+0.5B
- V＝0.5R-0.4187G-0.0813B
由上式得到的UV范围在-128~+127之间，为避免负数，应在U、V之后各加128。
3.YUV在存储时，为了防止信号变得造成过载，在对分量信号进行8比特均匀量化时，Y分量256级上端留20级，下端留16级作为信号超越动态范围的保护带，UV分量256级上端留15级，下端留16级作为信号超越动态范围
的保护带。
4.这里YUV采用的是420格式，既色度信号是亮度信号取样频率的四分之一。
5.得到YUV转换RUV的公式：
- B=Y+1.779U
- G=Y-0.3455U-0.7169V
- R=Y+1.4075V
二、实验流程分析
a.首先读取YUV文件，新建RGB文件
b.开辟RGB内存数组和YUV数组。由于RGB文件是按照BGRBGRBGR……的顺序存储一帧的，所以RBG开辟一个3倍像素数的数组，而YUV文件是YYYY……U……V……存储文件的，可以开辟一个像素数大小的数组存放Y分量和两个四分之一像素数大小的数组存放U和V分量。
c.读取每一帧的YUV值存在YUV三个缓存数组中
d.因为YUV有动态范围，先判断Y和UV是否超出要求的范围。
e.对YUV进行上采样，恢复出444格式的YUV。
f.按照转换公式，将每一个像素分别转换为RGB格式存在RGB缓存数组中。
e.重复c操作完成一帧的计算，再将RGB的值写入RGB文件。
三、关键代码及分析
1.本次实验工程文件包括两个源文件和一个头文件：
2.main.cpp是主文件：
a.通过工作参数设置目标文件和文件像素格式：
yuvFileName = argv[1];
rgbFileName = argv[2];
frameWidth = atoi(argv[3]);
frameHeight = atoi(argv[4]);b.开辟YUV和RGB的数组空间：
/* get an input buffer for a frame */
yBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight);
uBuf = (u_int8_t*)malloc((frameWidth * frameHeight) / 4);
vBuf = (u_int8_t*)malloc((frameWidth * frameHeight) / 4);
/* get the output buffers for a frame */
rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3);C.读取YUV文件并判断是否超出YUV的动态范围，使用WHILE 函数，可以重复帧操作：
while (fread(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight, yuvFile) && fread(uBuf, 1, frameWidth * frameHeight /4, yuvFile)
&& fread(vBuf, 1, frameWidth * frameHeight /4, yuvFile))
{
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;
}d.调用yuv2rgb函数，使YUV转换为RGB：
YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf)e.将RGB数据存储进RGB文件：
fwrite(rgbBuf, 1, frameWidth * frameHeight*3, rgbFile);a.对YUV进行上采用，恢复444格式：
//上采样
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;
pv1 = v_buffer + 2 * j*x_dim;
pu2 = u_buffer + (2 * j + 1)*x_dim;
pv2 = v_buffer + (2 * j + 1)*x_dim;
for (i = 0; i < x_dim / 2; i++)
{
*pu1 = *psu;
*(pu1 + 1) = *psu;
*pu2 = *psu;
*(pu2 + 1) = *psu;
*pv1 = *psv;
*(pv1 + 1) = *psv;
*pv2 = *psv;
*(pv2 + 1) = *psv;
psu++;
psv++;
pu1 += 2;
pu2 += 2;
pv1 += 2;
pv2 += 2;
}
}b.将YUV转换为RGB，因为RGB采用的unsiged char型，只有一字节，只能保存0~255之间的值，如果之间将转换过来的RGB值存入，可能会存在溢出的现象发生错误，所以要先用int型判断是否溢出，再重新赋给RGB指针：
for (i = 0; i < size ; i++)
{
aa = (int)((*y) + RGBYUV1779[*u]+0.5 );//b
bb = (int)((*y) - RGBYUV03455[*u] - RGBYUV07169[*v]+0.5);//g
cc = (int)((*y) + RGBYUV14075[*v]+0.5 );//r
//char a = *(b + 1); char c = *(b + 2);
if (aa>255)
aa = 255;
if (aa<0)
aa = 0;
if (bb>255)
bb = 255;
if (bb<0)
bb = 0;
if (cc>255)
cc = 255;
if (cc<0)
cc = 0;
*(b + 0) = (unsigned char) aa;
*(b + 1) = (unsigned char) bb;
*(b + 2) = (unsigned char) cc;
b += 3;
y++;
u++;
v++;
}c.对UV进行系数计算时，采用查表法可以提高运行速度，因为数组序号不能为负数，UV之前转换时为保证取值为正数，加上了128，所以要在计算时先减去128：
void InitLookupTable()
{
int i;
for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV14075[i] = (float)1.4075 * (i-128);
for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03455[i] = (float)0.3455 * (i-128);
for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV1779[i] = (float)1.779 *( i-128);
for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV07169[i] = (float)0.7169 * (i-128);
}d.开辟的数组要在不需要时及时释放：
if (u_buffer)
free(u_buffer);
if (v_buffer)
free(v_buffer);4.yuv2rgb.h声明了要是有的函数：
int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *bmp, void *y_out, void *u_out, void *v_out);
void InitLookupTable();四、实验结果及分析
第一组例子
左图是RGB文件转换为YUV文件查看后，右图是将YUV文件转为RGB,再转为YUV查看：
以下三组例子
左图是YUV420素材，右图是将YUV文件转换为RGB，再转换为YUV的文件：
转换之后的视频与原文件相同，说明实验正确。
五、结论
通过本次实验，熟悉了RGB、YUV420、YUV444的存储格式，熟悉了指针、数组以及文件的操作方式。在实验中应注意正确设置工作路径和实验参数。