yuv rgb

目录：

显示器图像显示概述

电视图像显示概述

RGB介绍

YUV介绍

隔行读取BMP

RGB转YUV

YUV转RGB

结束语

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：

01. // 隔行显示BMP

02. void CRGB2YUVView::OnReadBmp()

03. {

04. // TODO: Add your command handler code here

05. CDC *pDC = GetDC();

06.  

07. CRect rect;

08. CBrush brush(RGB(128,128,128));

09. GetClientRect(&rect);

10. pDC->FillRect(&rect, &brush);

11.  

12. BITMAPFILEHEADER bmfh;

13. BITMAPINFOHEADER bmih;

14.  

15. char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.bmp";

16. CFile* f;

17. f = new CFile();

18. f->Open(strFileName, CFile::modeRead);

19. f->SeekToBegin();

20. f->Read(&bmfh, sizeof(bmfh));

21. f->Read(&bmih, sizeof(bmih));

22.  

23. // 分配图片像素内存

24. RGBTRIPLE *rgb;

25. rgb = new RGBTRIPLE[bmih.biWidth*bmih.biHeight];

26.  

27. f->SeekToBegin();

28. f->Seek(54,CFile::begin); // BMP 54个字节之后的是像素数据

29. f->Read(rgb, bmih.biWidth * bmih.biHeight * 3);   // 这里只读24位RGB(r,g,b)图像

30.  

31. // 显示上场 (奇数行组成的奇数场)

32. for (int i = 0; i < bmih.biHeight; i++) {

33. for (int j = 0; j < bmih.biWidth; j++) {

34. if(!(i%2))

35. pDC->SetPixel(j, bmih.biHeight-i,

36. RGB(rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtRed,

37. rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtGreen,rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtBlue));

38. for (int k=0; k< 1000; k++) ;  //延时

39. }

40. }

41.  

42. Sleep(500);

43.  

44. // 显示下场 (偶数行组成的偶数场)

45. for (int i_ = 0; i_< bmih.biHeight; i_++) {

46. for (int j_ = 0; j_< ;bmih.biWidth; j_++) {

47. if(i_%2)

48. pDC->SetPixel(j_, bmih.biHeight-i_,

49. RGB(rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtRed,

50. rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtGreen,

51. rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtBlue));

52. for (int k=0; k< 1000; k++) ;  //延时

53. }

54. }

55.  

56. // 显示24位BMP信息

57. LONG dwWidth = bmih.biWidth;

58. LONG dwHeight = bmih.biHeight;

59. WORD wBitCount = bmih.biBitCount;

60. char buffer[80];

61. sprintf(buffer,"图像宽为：%ld 高为：%ld 像数位数：%d", dwWidth, dwHeight, wBitCount);

62. MessageBox(buffer, "每个像素的位数", MB_OK | MB_ICONINFORMATION);

63.  

64. f->Close();

65. delete f;

66. delete rgb;

67. }

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：

01. // RGB转换为YUV

02. void CRGB2YUVView::RGB2YUV(byte *pRGB, byte *pYUV)

03. {

04. byte r,g,b;

05. r = *pRGB; pRGB++;

06. g = *pRGB; pRGB++;

07. b = *pRGB;

08.  

09. *pYUV = static_cast< byte >(0.257*r + 0.504*g + 0.098*b + 16);    pYUV++;   // y

10. *pYUV = static_cast< byte >(-0.148*r - 0.291*g + 0.439*b + 128);  pYUV++;   // u

11. *pYUV = static_cast< byte >(0.439*r - 0.368*g - 0.071*b + 128);             // v

12. }

像素转换实现：

001. // 转换RGB

002. void CRGB2YUVView::OnConvertPAL()

003. {

004. CDC *pDC = GetDC();

005. CRect rect;

006. CBrush brush(RGB(128,128,128));

007. GetClientRect(&rect);

008. pDC->FillRect(&rect, &brush);

009.  

010. // PAL 720x576 : 中国的电视标准为PAL制  

011. int CurrentXRes = 720;

012. int CurrentYRes = 576;

013. int size        = CurrentXRes * CurrentYRes;

014.  

015. // 分配内存

016. byte *Video_Field0 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);

017. byte *Video_Field1 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);

018.  

019. // 保存内存指针

020. byte *Video_Field0_ = Video_Field0;

021. byte *Video_Field1_ = Video_Field1;

022.  

023. byte yuv_y0, yuv_u0, yuv_v0, yuv_v1;  // {y0, u0, v0, v1};

024. byte bufRGB[3];  // 临时保存{R,G,B}

025. byte bufYUV[3];  // 临时保存{Y,U,V}

026.  

027. // 初始化数组空间

028. ZeroMemory(bufRGB, sizeof(byte)*3);

029. ZeroMemory(bufYUV, sizeof(byte)*3);

030.  

031. // 初始化内存

032. ZeroMemory(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes);

033. ZeroMemory(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes);

034.  

035. // BMP 位图操作

036. BITMAPFILEHEADER bmfh;

037. BITMAPINFOHEADER bmih;

038.  

039. char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.bmp";

040. CFile* f;

041. f = new CFile();

042. f->Open(strFileName, CFile::modeRead);

043. f->SeekToBegin();

044. f->Read(&bmfh, sizeof(bmfh));

045. f->Read(&bmih, sizeof(bmih));

046.  

047. // 分配图片像素内存

048. RGBTRIPLE *rgb;

049. rgb = new RGBTRIPLE[bmih.biWidth*bmih.biHeight];

050.  

051. f->SeekToBegin();

052. f->Seek(54,CFile::begin);  // BMP 54个字节之后的是位像素数据

053. f->Read(rgb, bmih.biWidth * bmih.biHeight * 3);   // 这里只读24位RGB(r,g,b)图像

054.  

055. // 上场  (1,3,5,7...行)

056. for (int i = bmih.biHeight-1; i>=0; i--) {

057. for (int j = 0; j< bmih.biWidth; j++) {

058. if(!(i%2)==0)

059. {

060. bufRGB[0] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtRed;   // R

061. bufRGB[1] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtGreen; // G

062. bufRGB[2] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtBlue;  // B

063.  

064. // RGB转换为YUV

065. RGB2YUV(bufRGB,bufYUV);

066. yuv_y0 = bufYUV[0];   // y

067. yuv_u0 = bufYUV[1];   // u

068. yuv_v0 = bufYUV[2];   // v

069.  

070. for (int k=0; k< 1000; k++) ;  //延时

071. // 视图中显示

072. pDC->SetPixel(j, (bmih.biHeight-1)-i, RGB(bufRGB[0], bufRGB[1], bufRGB[2]));

073.  

074. // UYVY标准  [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]

075. // 每像素点两个字节，[内]为四个字节

076. if ((j%2)==0)

077. {

078. *Video_Field0 = yuv_u0; 

079. Video_Field0++;

080. yuv_v1 = yuv_v0;   // v保存起来供下一字节使用

081. }

082. else

083. {

084. *Video_Field0 = yuv_v1; 

085. Video_Field0++;

086. }

087. *Video_Field0 = yuv_y0;     

088. Video_Field0++;

089. }// end if i%2

090. }

091. }

092.  

093. // 下场 (2,4,6,8...行)

094. for (int i_ = bmih.biHeight-1; i_>=0; i_--) {

095. for (int j_ = 0; j_< bmih.biWidth; j_++) {

096. if((i_%2)==0)

097. {

098. bufRGB[0] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtRed;   //   R

099. bufRGB[1] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtGreen; // G

100. bufRGB[2] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtBlue;  // B

101.  

102. // RGB转换为YUV

103. RGB2YUV(bufRGB,bufYUV);

104. yuv_y0 = bufYUV[0];   // y

105. yuv_u0 = bufYUV[1];   // u

106. yuv_v0 = bufYUV[2];   // v

107.  

108. for (int k=0; k< 1000; k++) ;  //延时

109. // 视图中显示

110. pDC->SetPixel(j_, (bmih.biHeight-1)-i_, RGB(bufRGB[0], bufRGB[1], bufRGB[2]));

111.  

112. // UYVY标准  [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]

113. // 每像素点两个字节，[内]为四个字节

114. if ((j_%2)==0)

115. {

116. *Video_Field1 = yuv_u0; 

117. Video_Field1++;

118. yuv_v1 = yuv_v0;   // v保存起来供下一字节使用

119. }

120. else

121. {

122. *Video_Field1 = yuv_v1; 

123. Video_Field1++;

124. }

125. *Video_Field1 = yuv_y0;     

126. Video_Field1++;

127. }

128. }

129. }

130.  

131. // 关闭BMP位图文件

132. f->Close();

133. WriteYUV(Video_Field0_, Video_Field1_, size);

134.  

135. // 释放内存

136. free( Video_Field0_ );

137. free( Video_Field1_ );

138. delete f;

139. delete rgb;

140. }

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： [email protected] ），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：

1. //  反变换公式

2. R= 1.0Y + 0 +1.402(V-128) 

3. G= 1.0Y - 0.34413 (U-128)-0.71414(V-128) 

4. B= 1.0Y + 1.772 (U-128)+0

代码实现：

001. void CRGB2YUVView::YUV2RGB(byte *pRGB, byte *pYUV)

002. {

003. byte y, u, v;

004. y = *pYUV; pYUV++;

005. u = *pYUV; pYUV++;

006. v = *pYUV;

007.  

008. *pRGB = static_cast< byte >(1.0*y + 8 + 1.402*(v-128));    pRGB++;                 // r

009. *pRGB = static_cast< byte >(1.0*y - 0.34413*(u-128) - 0.71414*(v-128));  pRGB++;   // g

010. *pRGB = static_cast< byte >(1.0*y + 1.772*(u-128) + 0);                            // b

011. }

012.  

013. // 读取PAL文件转换为RGB并显示

014. void CRGB2YUVView::OnReadPAL()

015. {

016. // TODO: Add your command handler code here

017. CDC *pDC = GetDC();

018. CRect rect;

019. CBrush brush(RGB(128,128,128));

020. GetClientRect(&rect);

021. pDC->FillRect(&rect, &brush);

022.  

023. // PAL 720x576 : 中国的电视标准为PAL制  

024. int CurrentXRes = 720;

025. int CurrentYRes = 576;

026. int size        = CurrentXRes * CurrentYRes;

027.  

028. // 分配内存

029. byte *Video_Field0 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes); 

030. byte *Video_Field1 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes);

031.  

032. // 保存内存指针

033. byte *Video_Field0_ = Video_Field0;

034. byte *Video_Field1_ = Video_Field1;

035.  

036. // 初始化内存

037. ZeroMemory(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes);

038. ZeroMemory(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes);

039.  

040. byte yuv_y0, yuv_u0, yuv_v0; // yuv_v1;  // {y0, u0, v0, v1};

041. byte r, g, b;

042. byte bufRGB[3];  // 临时保存{R,G,B}

043. byte bufYUV[3];  // 临时保存{Y,U,V}

044.  

045. // 初始化数组空间

046. memset(bufRGB,0, sizeof(byte)*3);

047. memset(bufYUV,0, sizeof(byte)*3);

048.  

049. char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.pal";

050.  

051. // 分配图片像素内存

052. RGBTRIPLE *rgb;

053. rgb = new RGBTRIPLE[CurrentXRes*CurrentYRes];

054.  

055. memset(rgb,0, sizeof(RGBTRIPLE)*CurrentXRes*CurrentYRes); // 初始化内存空间

056.  

057. CFile* f;

058. f = new CFile();

059. f->Open(strFileName, CFile::modeRead);

060. f->SeekToBegin();

061. f->Read(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes);

062. f->Read(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes);

063.  

064. // 上场  (1,3,5,7...行)

065. for ( int i = CurrentYRes-1; i>=0; i--) {

066. for ( int j = 0; j< CurrentXRes; j++) {

067. if(!(i%2)==0)

068. {

069. // UYVY标准  [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]

070. // 每像素点两个字节，[内]为四个字节

071. if ((j%2)==0)

072. {

073. yuv_u0 = *Video_Field0; 

074. Video_Field0++;

075. }

076. else

077. {

078. yuv_v0 = *Video_Field0; 

079. Video_Field0++;

080. }

081. yuv_y0 = *Video_Field0;     

082. Video_Field0++;

083.  

084. bufYUV[0] = yuv_y0;  // Y

085. bufYUV[1] = yuv_u0;  // U

086. bufYUV[2] = yuv_v0;  // V

087.  

088. // RGB转换为YUV

089. YUV2RGB(bufRGB,bufYUV);

090. r = bufRGB[0];   // y

091. g = bufRGB[1];   // u

092. b = bufRGB[2];   // v

093. if (r>255) r=255; if (r< 0) r=0;

094. if (g>255) g=255; if (g< 0) g=0;

095. if (b>255) b=255; if (b< 0) b=0;

096.  

097. for (int k=0; k< 1000; k++) ;  //延时

098. // 视图中显示

099. pDC->SetPixel(j, CurrentYRes-1-i, RGB(r, g, b));

100.  

101. }// end if i%2

102. }

103. }

104.  

105. // 下场 (2,4,6,8...行)

106. for ( int i_ = CurrentYRes-1; i_>=0; i_--) {

107. for ( int j_ = 0; j_< CurrentXRes; j_++) {

108. if((i_%2)==0)

109. {

110. // UYVY标准  [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5]

111. // 每像素点两个字节，[内]为四个字节

112. if ((j_%2)==0)

113. {

114. yuv_u0 = *Video_Field1; 

115. Video_Field1++;

116. }

117. else

118. {

119. yuv_v0 = *Video_Field1; 

120. Video_Field1++;

121. }

122. yuv_y0 = *Video_Field1;     

123. Video_Field1++;

124.  

125. bufYUV[0] = yuv_y0;  // Y

126. bufYUV[1] = yuv_u0;  // U

127. bufYUV[2] = yuv_v0;  // V

128.  

129. // RGB转换为YUV

130. YUV2RGB(bufRGB,bufYUV);

131. r = bufRGB[0];   // y

132. g = bufRGB[1];   // u

133. b = bufRGB[2];   // v

134. if (r>255) r=255; if (r< 0) r=0;

135. if (g>255) g=255; if (g< 0) g=0;

136. if (b>255) b=255; if (b< 0) b=0;

137.  

138. for (int k=0; k< 1000; k++) ;  //延时

139. // 视图中显示

140. pDC->SetPixel(j_, CurrentYRes-1-i_, RGB(r, g, b));

141. }

142. }

143. }

144.  

145. // 提示完成

146. char buffer[80];

147. sprintf(buffer,"完成读取PAL文件：%s ", strFileName);

148. MessageBox(buffer, "提示信息", MB_OK | MB_ICONINFORMATION);

149.  

150. // 关闭PAL电视场文件

151. f->Close();

152.  

153. // 释放内存

154. free( Video_Field0_ );

155. free( Video_Field1_ );

156. delete f;

157. delete rgb;

158. }

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。

参考文章：

Video Rendering with 8-Bit YUV Formats

关于YUV和RGB图像格式的问题

….

编程环境：Visual C++6.0 & MFC

关于作者：李英江目前就职于 湖南三辰卡通集团，是一名普通的程序员，可以通过以下方式与我取得联系。

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