数据压缩实验一实验报告

1.实验原理

YUV到RGB的转换算法为
$R = Y + 1.4075(V - 128)$
$G=Y + 0.3455(U - 128) - 0.7169(V - 128)$
$B=Y + 1.779(U - 128)$
分析
此时的U、V实际上是Cb和Cr，为把(R-Y)和(B-Y)的动态范围控制在±350mV内，引入压缩系数，可以得到公式
Cr=0.713（R-Y）
Cb=0.564（B-Y）
又为了便于数字化处理，还要将Cr、Cb引入350mV的偏置，又由于经过8比特量化，色差信号经过归一化处理后，动态范围为-0.5－0.5，让色差零电平对应码电平128。所以公式变为
V=0.713（R-Y）+128
U=0.564（B-Y）+128
经过方程式的计算，可以得到最后的公式

RGB和YUV彩色空间基本原理

RGB彩色空间存储方式是每一个像素点都按照B、G、R的顺序进行存储，每一帧占用空间为width * height * 3个字节的空间。YUV彩色空间存储方式为每一帧的YUV分开存储，每一帧Y占用的空间为width * height，每一帧U和V所占用的空间分别为width * height /4。

取样格式

读取的图片为YUV空间，取样格式为4：2：0，即V和U的水平和垂直采样点数均为Y的一半。但要生成的RGB文件的取样格式为4：4：4，这就要求我们对给定的Y保持不变，对给定的U和V进行上采样，使其可与RGB的采样空间相同。 根据将RGB转成YUV的实验中下采样的方法，我采用的方法是用指针指向yuv文件中的u、v，并开辟两个128*128的空间存*储文件中的u、v。同时还开辟了两个256*256的空间，将一个指向给定uv指针的内容赋值给新的四个像素块，详见具体代码。

2.实验的流程分析

1. 程序初始化（打开两个文件、定义变量和缓冲区 等）
2. 读取YUV文件，抽取YUV数据写入缓冲区
3. 调用YUV2RGB的函数实现YUV到RGB数据的转 换
4. 写RGB文件
5. 程序收尾工作（关闭文件，释放缓冲区）

命令行参数的设置
project->properties->Debugging->
Working Directory&Command Arguments

3.重要代码及分析

重要代码通过高亮标出

yuv转为rgb的函数代码：yuv2rgb.cpp

#include "stdlib.h"
#include "yuv2rgb.h"static float RGBYUV14075[256], RGBYUV03455[256];
static float RGBYUV07169[256], RGBYUV17790[256];int YUV2RGB(int x_dim, int y_dim, void *bmp, void *y_in, void *u_in, void *v_in, int flip)
{static int init_done = 0;long i, j, size;unsigned char *r, *g, *b;unsigned char *y, *u, *v;unsigned char *pu1, *pu2, *pv1, *pv2, *psu, *psv;unsigned char *y_buffer, *u_buffer, *v_buffer;unsigned char *sub_u_buf, *sub_v_buf;if (init_done == 0){InitLookupTable();init_done = 1;}// check to see if x_dim and y_dim are divisible by 2if ((x_dim % 2) || (y_dim % 2)) return 1;size = x_dim * y_dim;// allocate memoryy_buffer = (unsigned char *)y_in;sub_u_buf = (unsigned char *)u_in;sub_v_buf = (unsigned char *)v_in;u_buffer = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char));v_buffer = (unsigned char *)malloc(size * sizeof(unsigned char));if (!(u_buffer && v_buffer)){if (u_buffer) free(u_buffer);if (v_buffer) free(v_buffer);return 2;}b = (unsigned char *)bmp;g = b + 1;r = b + 2;y = y_buffer;u = u_buffer;v = v_buffer;

        for (j = 0; j < y_dim / 2; j++){psu = sub_u_buf + j * x_dim / 2;//128*128psv = sub_v_buf + j * x_dim / 2;pu1 = u_buffer + 2 * j * x_dim;pu2 = u_buffer + (2 * j + 1) * x_dim;pv1 = v_buffer + 2 * j * 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;/*为了将yuv的取样空间由4：2：0变为4：4：4,就要将一个像素块的值赋给四个像素，psu指针指向的是输入的u的空间，将psu指针指向的一个值赋给新开辟空间中的四个像素，比如将psu指向的第一个值赋给第一行的第一、二个值，即pu1和pu1+1及第二行中的第一二个值pu2和pu2+1。然后psv指针指向的是输入的v的空间。*/}}

        for (i = 0; i < size; i++){g = b + 1;r = b + 2;float tmp;/*r的数据类型为unsigned char，范围为0~255，如果直接进行计算则会出现溢出现象，比如计算得出256，则会变为0，因此通过设置浮点型中间变量tmp防止数据的溢出*/tmp= (*y + RGBYUV14075[*v]);if (tmp > 255) { tmp = 255; }if (tmp < 0) { tmp = 0; }*r = (unsigned char)tmp;tmp = (*y - RGBYUV03455[*u] - RGBYUV07169[*v]);if (tmp > 255) { tmp = 255; }if (tmp < 0) { tmp = 0; }*g = (unsigned char)tmp;tmp = (*y + RGBYUV17790[*u]);if (tmp > 255) { tmp = 255; }if (tmp < 0) { tmp = 0; }*b = (unsigned char) tmp;b += 3;y++; u++; v++;}return 0;}

    /*采用部分查找表法，提高运行效率*/void InitLookupTable(){int i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV14075[i] = (float)1.0475 * (i-128);for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03455[i] = (float)0.3455 * (i-128);for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV07169[i] = (float)0.7169 * (i-128);for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV17790[i] = (float)1.779 * (i-128);}

主函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<malloc.h>
#include"yuv2rgb.h"#define u_int8_t    unsigned __int8
#define u_int       unsigned __int32
#define u_int32_t   unsigned __int32
#define FALSE       false
#define TRUE        trueint main(int argc,char** argv)
{u_int frameWidth = 352;u_int frameHeight = 240;bool flip =TRUE;//unsigned int i;/* internal variables */
char* rgbFileName = NULL;
char* yuvFileName = NULL;
FILE* rgbFile = NULL;
FILE* yuvFile = NULL;
u_int8_t* rgbBuf = NULL;
u_int8_t* yBuf = NULL;
u_int8_t* uBuf = NULL;
u_int8_t* vBuf = NULL;
u_int32_t videoFramesWritten = 0;/* begin process command line */
/* point to the specified file names */
yuvFileName = argv[1];
rgbFileName = argv[2];frameWidth = atoi(argv[3]);
frameHeight = atoi(argv[4]);

        /* 打开yuv文件*/yuvFile = fopen(yuvFileName, "rb");if (yuvFile == NULL){printf("cannot find yuv file\n");exit(1);}else{printf("The input yuv file is %s\n", yuvFileName);}/* open the RAW file */rgbFile = fopen(rgbFileName, "wb");if (rgbFile == NULL){printf("cannot find rgb file\n");exit(1);}else{printf("The output rgb file is %s\n", rgbFileName);}

/* get an input buffer for a frame */
rgbBuf = (u_int8_t*)malloc(frameWidth * frameHeight * 3);/* get the output buffers 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);while ((fread(yBuf, 1, frameWidth * frameHeight , yuvFile))&&(fread(uBuf, 1, frameWidth * frameHeight/4, yuvFile))&&(fread(vBuf, 1, frameWidth * frameHeight/4, yuvFile)))
{if (YUV2RGB(frameWidth, frameHeight, rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf, flip)){printf("error");return 0;}fwrite(rgbBuf, 1, frameWidth * frameHeight * 3, rgbFile);printf("\r...%d", ++videoFramesWritten);
}printf("\n%u %ux%u video frames written\n",videoFramesWritten, frameWidth, frameHeight);

     /*释放开辟的内存空间和关闭打开的文件*/if(rgbBuf!=NULL){free(rgbBuf);}if(yBuf!=NULL){free(yBuf);}if(uBuf!=NULL){free(uBuf);}if(vBuf!=NULL){free(vBuf);}if(yuvFile!=NULL){fclose(yuvFile);}if(rgbFile!=NULL){fclose(rgbFile);}return (0);

}

4.实验结果及分析

错误及调试

1.程序build后没有报错，但在运行过程中出现了breakpoint，经过F11进入main函数，F10进行分步运行后，在main函数中发现错误，释放空间时多次释放rgb空间，而没有释放y、u、v的空间。

2.程序运行后，出现的测试yuv图像所有像素的yuv值均相同，通过检查，发现是yuv指针都始终指向第一个像素点，指针没有移动，后来通过y++，u++，v++的语句移动指针。

3.没有设置tmp为中间变量时出现少量溢出错误，在最终呈现的test。yuv图像上出现蓝色的小色块。以下是对比图。 生成的test图像：

最后结果

1. 
   
   2.
   
2. 
   
3.