数据压缩第二次实验报告——用C语言实现bmp to yuv的图片格式转化

实验目标

实验主要要求将图片格式从BMP到YUV的转化，并生成含有至少五幅图片不少于200帧的图像流。

实验原理

一、BMP图像简介：

典型的BMP图像文件由四部分组成（部分摘自360百科对BMP的定义）：

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；占14字节

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；占40字节

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；

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。在24比特转化中位图数据从00000036地址处开始。
注：在本次实验中目前只编写了24比特BMP图像到YUV格式的转化，故代码中并未涉及调色板的编写。

二、BMP2YUV文件转换流程分析

1. 程序初始化（打开两个文件、定义变量和缓冲区等）
2. 读取BMP文件，抽取或生成RGB数据写入缓冲区
3. 调用RGB2YUV的函数实现RGB到YUV数据的转换
4. 写YUV文件
5. 程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）
   
   实现的24比特BMP格式转化中，因为图像深度刚好吻合真彩色故可以直接提取数据写入RGB缓存区。再调用上次实验写好的RGB2YUV程序生成YUV（420）格式图片。
   因为最终实现的是含有至少五幅图片不少于200帧的图像流，所以在实验初期的构想中可以有两种实现方法：
   1、在BMP到YUV的转化提取图片文件时将图片数据重复拼接写入（五张图片各40帧）
   2、将五幅BMP图片转化为YUV格式后再进行重复拼接工作。
   方法1的好处是整个程序实现后较为完善方便，但需要进行运算的数据量大，运算时间可能较长。
   方法2的好处是编写时各部分更加清晰明了，但在程序编写完成，运行之前的命令行输入时较为繁琐（需要转化5次再对生成的5个图片操作）。
   综合考虑应用了方法二来编写。

BMP文件格式

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;

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;

部分代码

bmp2yuv
main.c

#include 
#include 
#include 
#include   
#include 
#include "bmp2yuv.h"

#define u_int8_t    unsigned __int8
#define u_int       unsigned __int32
#define u_int32_t   unsigned __int32

int main(int argc, char** argv)
{
    unsigned int i;

    char* bmpFileName = NULL;
    char* yuvFileName = NULL;
    FILE *bmpFile = NULL;
    FILE *yuvFile = NULL;
    u_int8_t* bmpBuf = NULL;
    u_int8_t* yBuf = NULL;
    u_int8_t* uBuf = NULL;
    u_int8_t* vBuf = NULL;

    BITMAPFILEHEADER File_header;//文件头
    BITMAPINFOHEADER Info_header;//信息头

    bmpFileName = argv[1];
    yuvFileName = argv[2];

    bmpFile = fopen(bmpFileName, "rb");
    if (bmpFile == NULL)
    {
        printf("cannot find bmp file\n");
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("The input bmp file is %s\n", bmpFileName);
    }

    yuvFile = fopen(yuvFileName, "wb");
    if (yuvFile == NULL)
    {
        printf("cannot find yuv file\n");
        exit(1);
    }
    else
    {
        printf("The output yuv file is %s\n", yuvFileName);
    }

    //  read file & info header
    if(fread(&File_header,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,bmpFile) != 1)
    {
        printf("read file header error!");
        exit(0);
    }
    if (File_header.bfType != 0x4D42)
    {
        printf("Not bmp file!");
        exit(0);
    }
    else
    {
        //printf("this is a %s\n",itoa(File_header.bfType));
    }
    if(fread(&Info_header,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,bmpFile) != 1)
    {   
        printf("read info header error!");
        exit(0);
    }
    //  end read header
    bmpBuf=(unsigned char *)malloc(Info_header.biWidth*Info_header.biHeight*3);
    yBuf=(unsigned char *)malloc(Info_header.biWidth*Info_header.biHeight);
    uBuf=(unsigned char *)malloc(Info_header.biWidth*Info_header.biHeight/4);
    vBuf=(unsigned char *)malloc(Info_header.biWidth*Info_header.biHeight/4);
    while(fread(bmpBuf,Info_header.biWidth*Info_header.biHeight*3,1,bmpFile))
    {
        if(BMP2YUV(bmpBuf,Info_header.biWidth,Info_header.biHeight, yBuf, uBuf, vBuf))
        {
            printf("error");
            return 0;
        }

        for (i = 0; i < Info_header.biWidth*Info_header.biHeight; i++)
        {
            if (yBuf[i] < 16) yBuf[i] = 16;
            if (yBuf[i] > 235) yBuf[i] = 235;
        }

        for (i = 0; i < Info_header.biWidth*Info_header.biHeight/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;
        }

        fwrite(yBuf, 1, Info_header.biHeight * Info_header.biWidth, yuvFile);
        fwrite(uBuf, 1, (Info_header.biHeight * Info_header.biWidth) / 4, yuvFile);
        fwrite(vBuf, 1, (Info_header.biHeight * Info_header.biWidth) / 4, yuvFile);
    }


    /* cleanup */
    free(bmpBuf);
    free(yBuf);
    free(vBuf);
    free(uBuf);
    fclose(bmpFile);
    fclose(yuvFile);
    return 0;
}

注:在程序中因为一开始采用了DWORD进行定义所需字节数所以当输入的图片字节数非4的整数倍时最后生成的yuv图片并不能保留原有图像的样子如下图（左为原图，右为生成的错误图像）

实验结果