BMP文件转换为YUV文件

一、实验原理

1．BMP文件的组成结构 

        BMP文件是一种Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB），使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选1bit、4bit、8bit、16bit及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

      典型的BMP图像文件由四部分组成：

      （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； 

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  */
                                                      /*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：

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。真彩色无调色板部分。

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。 

2．字节序 
       不同的计算机系统采用不同的字节序存储数据，同样一个 4 字节的 32 位整数，在内存中存储的方式不同。字节序分为小尾字节序(Little Endian)和大尾字节序(Big Endian)。Intel 处理器大多数使用小尾字节序，Motorola 处理器大多数使用大尾(Big Endian)字节序。小尾就是低位字节排放在内存的低端，高位字节排放在内存的高端，即所谓的“低位在前，高位在后”。大尾就是高位字节排放在内存的低端，低位字节排放在内存的高端，即所谓的“高位在前，低位在后”。 TCP/IP 各层协议将字节序定义为大尾，因此 TCP/IP 协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。 
       在实现 BMP 文件头信息的写入时，需要注意整数保存时的字节序。例如：文件大小是以Intel 序保存的。在编程前先用二进制打开方式观察 BMP 文件各个部分的数据存储格式。     

二、实验流程分析

1.程序初始化（打开YUV文件、定义变量和缓冲区等）

2.写循环体，实现5张图片各40帧 ，打开BMP文件

3. 读取 BMP 文件，调用BMP2RGB的函数将 RGB 数据写入缓冲区，此时根据文件位深度，选择不同的处理方法：

1. 1-8bit，构造调色板，位与移位取像素数据查调色板，写RGB缓冲区
2. 16bit，位与移位取像素数据转换为8bit/彩色分量写RGB缓冲区
3. 24bit，直接取像素数据写RGB缓冲区

4. 调用 RGB2YUV 的函数实现 RGB 到 YUV 数据的转换

5.重复x次 写 YUV 文件

6. 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.以十六进制打开图片文件，查看存储内容，下面是一个24bit图片，没有调色板数据：

2.下面是一个4bit图片，有调色板数据，占16*4=48字节个数据：

3.之后要调用调色板函数，在此先说明：

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(float(2), info_h.biBitCount))//判断是否调色板正确
	{
		fseek(pFile, sizeof(BITMAPFILEHEADER)+info_h.biSize, 0);//将文件指针指向调色板开始
		fread(pRGB_out, sizeof(RGBQUAD), (unsigned int)pow(float(2), info_h.biBitCount), pFile);//读取调色板到pRGB结构体数组
		return true;
	}
	else
		return false;

4.读取BMP文件后，调用BMP2RGB的函数将RGB数据写入缓冲区：

• 先判断实际的像素数，因为规定每一扫描行的字节数必须是 4 的整倍数，也就是DWORD 对齐的，如果不足4字节，补齐：

//判断像素的实际点阵数
	if (((info_h.biWidth / 8 * info_h.biBitCount) % 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;//width为实际一行的字节数
	height = h;//height为列数

• 根据实际的点阵数，开辟数组空间，并采用倒序存放：

//开辟实际字节数量的缓冲区，读数据，一次读取一个字节
	dataBuf = (unsigned char*)malloc(width*height);
	Data = (unsigned char*)malloc(width*height);

	fseek(pFile, file_h.bfOffBits, 0);
	if (fread(dataBuf, 1, width*height, pFile) == 0)
	{
		printf("read file error!\n\n");
		exit(0);
	}
	//倒序存放
	for (i = 0; i < height; i++)
	for (j = 0; j < width; j++)
	{
		Data[i*width + j] = dataBuf[(height - i - 1)*width + j];
	}

• 然后判断文件位深度，采取不同的处理方式。当biCompression成员的值是BI_RGB时，它没有调色板。24位每个RGB采用8bit存储，16位中，最低的5位表示蓝色分量中间的6位表示绿色分量，高的5位表示红色分量，一共占用了16位：

switch (info_h.biBitCount)//判断位深度
	{
	case 24:         //24bit直接读取
		memcpy(rgbDataOut, Data, height*width);
		if (dataBuf)
			free(dataBuf);
		if (Data)
			free(Data);
		return ;
	case 16:        //16bit分位读取
		if (info_h.biCompression == BI_RGB)
		{
			for (Loop = 0; Loop < height * width; Loop += 2)
			{
				*rgbDataOut = (Data[Loop] & 0x1F) << 3;
				*(rgbDataOut + 1) = ((Data[Loop] & 0xE0) >> 2) + ((Data[Loop + 1] & 0x03) << 6);
				*(rgbDataOut + 2) = (Data[Loop + 1] & 0x7C) << 1;
				rgbDataOut += 3;
			}
		}
		//释放数据缓冲区省略……
		return ;

• 如果位深度是1-8bit，需要构造调色板，再根据文件存储数据调用调色板数据：

RGBQUAD *pRGB = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD)*(unsigned long long)pow(float(2), info_h.biBitCount));/*8bit在构造调色板时，如果使用(unsigned char)pow(float(2), info_h.biBitCount)会出现指针越界的情况，所以应使用unsigned long long型或者int型*/
           if (!MakePalette(pFile, file_h, info_h, pRGB))//调用构造调色板函数
			printf("No palette!");
		for (Loop = 0; Loop> (8 - shiftCnt * info_h.biBitCount));
/*判断是否为8bit，如果是8bit，直接将一字节的8bit作为数组序号，调取RGB值；如果不是8bit，先与蒙版做“与”运算，再将结果根据位数移动到最低位置，即得到要调取的数组序号*/
				*rgbDataOut = pRGB[index].rgbBlue;
				*(rgbDataOut + 1) = pRGB[index].rgbGreen;
				*(rgbDataOut + 2) = pRGB[index].rgbRed;

				if (info_h.biBitCount == 8)
					mask = 0;//8bit直接蒙版为0，读取下一字节
				else
					mask >>= info_h.biBitCount;//蒙版不为0，蒙版以为，读取下一像素数据
				rgbDataOut += 3;
				shiftCnt++;//记录当前字节读取第几个像素
			}
		}

		/*释放缓存区略*/
		return ;		

• 读取RGB数据后，转换为YUV可直接调用函数RGB2YUV，具体函数可参见上一篇博客。

四、实验结果

本次实验用了5张图片：

序号	图片	位深度	像素大小
1		24bit	640X400
2		24bit	640X400
3		8bit	640X400
4		4bit	640X400
5		1bit	640X400

每张图片重复40次写入YUV文件，最后生成的文件共200帧：



五、总结

      bmp是一种较为简单的图像保存格式，在做文件格式转换之前，必须要先熟悉文件的构成，熟悉每一块数据的作用。还要注意正确的分配缓存内存，不要越界。