基于VC++的YUV視頻格式處理軟件設(shè)計(jì)

孫敬　孫濱

摘要：借鑒已有顏色空問轉(zhuǎn)換方法，通過認(rèn)真分析RCB、YUV顏色空問模型，結(jié)合YUV采樣格式和存儲方式，本文提出RGB到Y(jié)UV轉(zhuǎn)換的功能需求，并給出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式。在此基礎(chǔ)上，本文利用VC++技術(shù)將顏色空間轉(zhuǎn)換思想加以實(shí)現(xiàn)，并詳細(xì)描述了RGB到Y(jié)UV轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)及核心算法。軟件運(yùn)行結(jié)果顯示，該轉(zhuǎn)換方式在視頻格式處理方面具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：YUV;RCB;顏色空間

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）20-0192-03

1引言

當(dāng)今時代，隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展，彩色圖像富有感染力和視覺刺激，更能傳遞很多有用的信息。在視頻文件處理的研究中，國外視頻圖像處理技術(shù)相對成熟，更注重圖像質(zhì)量以及存儲和傳輸時減少存儲空間和提高傳輸率。并且很早就應(yīng)用在實(shí)際生活各領(lǐng)域中[1-5]。但由于彩色圖像承載信息量大，其傳輸、存儲等操作更加復(fù)雜，再加上彩色圖像采用不同顏色空間進(jìn)行色彩表征，所以如何采用有效方法進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換便成了本文視頻格式處理的關(guān)鍵問題。

2顏色空間概述

2.1YUV顏色空間模型

在實(shí)際生活中，人們往往利用顏色空間模型對不同顏色進(jìn)行量化，并用不同顏色空間模型描述不同領(lǐng)域內(nèi)的顏色量化需求[6]。在眾多顏色空間中，RCB和YUV是顏色空間模型的典型代表，其中，RGB顏色空間是利用紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色以不同強(qiáng)度疊加來描述顏色，而YUV顏色空間則利用色彩亮度和色度原理來描述顏色[7]，它們的顏色空間模型如圖1所示。

3YUV采樣格式及存儲方式

YUV格式有兩大類：打包格式（packed）和平面格式（planar），其中打包格式將每個YUV分量連續(xù)交叉存儲，并將若干相鄰的同數(shù)組中像素組成宏像素，平面格式則按照順序?qū)、U、V分量分別存儲到不同數(shù)組中[8]。

3.1YUV采樣格式

在表示像素格式時，YUV采用亮度參量和色度參量進(jìn)行獨(dú)立描述，這樣可避免兩個參量之間出現(xiàn)色彩十?dāng)_，降低了色度的采樣率。由于YUV的UV（色度）頻道比Y（亮度）頻道采樣率低，所以不會明顯降低視覺質(zhì)量和圖像質(zhì)量，在視頻格式處理時，人們往往采用A：B：C來描述UV（色度）與Y（亮度）的采樣率比例。

3.2YUV存儲方式

1）對于4：4：4格式，每像素32位，這是一個打包格式[10]。其中每個像素都被編碼為四個連續(xù)字節(jié)，如FOURCC碼的AYUV。

2）對于4：2：2格式，每像素16位，支持兩個4：2：2格式，其中每個色差信道的抽樣率是亮度信道的一半，在水平方向的色度信道的抽樣率是4：4：4的一半，其中每個像素都被編碼為四個連續(xù)字節(jié)的兩個像素，如FOURCC碼的YUY2、UYVY[11]，從而使得色度水平采樣乘以系數(shù)2。

3）對于4：2：0格式，每行掃描線上只有一種色度分量以2：1的抽樣率存儲，每像素16位。FOURCC碼為IMC1、IMC2。

其中，由于4：2：2和4：4：4顏色構(gòu)成的畫面對大多數(shù)人來說區(qū)別不大，所以當(dāng)4：2：2信號被解碼的時候，人們往往通過內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)方式計(jì)算兩側(cè)顏色完成“缺失”色度采樣。但是，在4：2：0中，人們需要通過內(nèi)插補(bǔ)點(diǎn)計(jì)算分別補(bǔ)充左有相鄰、上下兩行的采樣點(diǎn)來完成相應(yīng)的“缺失”色度采樣。

4BMP位圖轉(zhuǎn)換成YUV視頻的實(shí)現(xiàn)

4.1BMP文件格式

在對數(shù)字圖像進(jìn)行存儲和記錄時，計(jì)算機(jī)以文件（由文件頭、文件體和文件尾組成）形式來完成相關(guān)操作。位圖文件（BMP）格式是微軟公司開發(fā)的、與硬件沒備無關(guān)的、Windows環(huán)境下的圖像文件存儲格式[12]，以.bmp或.dib為文件擴(kuò)展名。位圖文件由位圖文件頭（包含該文件類型、顯示內(nèi)容等信息）、位圖信息頭（包含該文件的寬、高及所采用的壓縮方法）、調(diào)色板、位圖數(shù)據(jù)（實(shí)際的R、G、B值）等四部分組成。位圖圖像的每一掃描行由連續(xù)的表示圖像像素的一組字節(jié)組成，字節(jié)數(shù)由圖像顏色數(shù)和寬度決定，并且其個數(shù)采用DWORD對齊方式，因此其數(shù)目必須是4的整數(shù)倍。另外，所有掃描行的字節(jié)是由下而上進(jìn)行存儲的，下面給出讀取位圖的流程圖。

4.2 RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換關(guān)系

針對現(xiàn)實(shí)生活中的彩色圖像，由于RGB是利用紅綠藍(lán)三原色以不同強(qiáng)度疊加形成不同顏色，使得每個像素在R、G、B三個成分上擁有相同的像素和顯示分辨率，這樣不僅影響彩色圖像處理效率，還會影響在不同需求下的圖像處理精度。由于YUV中的U、V（色度）分量可高度壓縮，所以很多地方開始采用YUV來更好地處理彩色圖像。

RGB到Y(jié)UV轉(zhuǎn)換公式為：

Y=INT（16.5+（0.257R+0.504G+0.098B））

Cb=INT（128.5+（-0.148R-0.291G+0.429B））

Cr=INT（128.5+（0.439R-0.368G-0.071B））

由于現(xiàn)實(shí)生活中視頻所占存儲空間大，為方便傳輸和存儲，人們往往先將視頻進(jìn)行壓縮，再利用相應(yīng)的視頻播放器進(jìn)行視頻播放[13]。壓縮視頻主要有面向存儲和面向流式媒體兩大類，其中后者是經(jīng)常應(yīng)用于流媒體電影、現(xiàn)場直播或轉(zhuǎn)播等場合。利用VC++技術(shù)，本論文將單幀或多幀RGB格式的視頻圖像轉(zhuǎn)換成YUV420/YUV422格式的視頻文件，從而實(shí)現(xiàn)了不同顏色空間的視頻圖像轉(zhuǎn)換。下面給出本文顏色空間轉(zhuǎn)換的部分關(guān)鍵代碼。

for（currentnum=start_number;Currentnum<（start_number+to-tal_number）; currentnum++） { BmpPathStr.Format（" %s%d.bmp"，UnchangPathStrl.currentnum）;

strcpy（src，BmpPathStr）;

switch（format） {

case IDC_RADIO_420：//將RGB轉(zhuǎn)換成420采樣格式的YUV文件{

if（w*3%4==0）difiw=0;

else diffw=4-（w*3%4）;

diffh=h%2;if（yuvout==0） { sprintf（dstY， "%s%d.Y"，Un-changPathStr2.currentnum）;

sprintf（dstU，"%s%d.U"，UnchangPathStr2.currentnum）;

sprintf（dstV，"%s%d.V"，UnchangPathStr2.currentnum）;

f1=fopen（dstY，"wb"）;

f2=fopen（dstU， "wb"）;

f3=fopen（dstV，"wb"）;}

y=（unsigned char*）malloc（（w+diffw）*（h+diffh））;

u=（unsigned char*）maloc（（w+diflw）*（h+diflh）/4）;

v= （unsigned

char

*）malloc（（w+diffw）*（h+diffh）/4） ;bmp2yuv_420（w.h.diffw，diffh.src，y，u，v）;} }

這段代碼首先使用一個循環(huán)語句來控制滾動條的狀態(tài)的變化，開始時滾動條的狀態(tài)為空，并且它的值為1，當(dāng)轉(zhuǎn)換成功后，對應(yīng)滾動條的狀態(tài)顯示為全彩色，并且它的值為100。再者實(shí)現(xiàn)的功能是將BMP位圖轉(zhuǎn)換成YUV420采樣格式的視頻文件。

其中核心為BMP位圖到Y(jié)UV視頻文件的轉(zhuǎn)換算法，其算法能滿足轉(zhuǎn)換的基本需求，并且效率比較高。再者，實(shí)現(xiàn)的功能是將BMP位圖轉(zhuǎn)換成YUV422采樣格式的視頻文件。

4.3軟件運(yùn)行效果

首先需要用戶解壓該軟件的壓縮包，運(yùn)行解壓后文件夾中的EXE可執(zhí)行文件，就打開BMP轉(zhuǎn)YUV主界面，分為BMP文件目錄選擇模塊，沒置幀頻模塊，YUV文件存放目錄模塊，YUV采樣格式和存儲方式兩個模塊，進(jìn)度條模塊，轉(zhuǎn)換和關(guān)閉按鈕模塊，具體展示如圖3所示。

5軟件測試的效果

本軟件針對的對象是用戶，所以首先從用戶角度出發(fā)去測試，一方面驗(yàn)證該軟件是否能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，另一方面驗(yàn)證是顏色空間是否可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。由于該軟件轉(zhuǎn)換后的YUV文件需要使用指定PC的播放器才能播放，下面是BMP圖像轉(zhuǎn)換成YUV420/YUV422視頻圖像轉(zhuǎn)換前后如圖4和圖5所示。

本轉(zhuǎn)換軟件經(jīng)過測試后，可以實(shí)現(xiàn)BMP位圖到Y(jié)UV視頻格式的轉(zhuǎn)換，主要包括BMP位圖到Y(jié)UV（4：2：2/4：2：0）視頻格式和BMP位圖到Y(jié)、U、V（4：2：2/4：2：0）視頻格式的轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了軟件中所涉及的算法的正確性和可塑性，能很好地滿足用戶的需求。

6總結(jié)

利用VC++技術(shù)，本軟件從而實(shí)現(xiàn)了不同顏色空間的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)方法只能將單個BMP位圖轉(zhuǎn)換為YUV視頻，并且視頻文件不能被相應(yīng)的播放器播放，但是本軟件不僅實(shí)現(xiàn)了單個或多個連續(xù)的BMP位圖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的YUV視頻，而且轉(zhuǎn)換后的視頻文件還可以在其他格式的轉(zhuǎn)換軟件中使用，使得顏色空間轉(zhuǎn)換更具實(shí)用性，應(yīng)用范圍也得到擴(kuò)展。另外，本軟件將YUV視頻的三個分量獨(dú)立存儲，這為以后轉(zhuǎn)換為不同格式的YUV視頻文件提供了新的研究思路。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】

收稿日期：2020-03-27

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號：172102210532，20A520039）資助;河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目（編號：20A520039）資助;河南省教育廳高校青年骨干教師培養(yǎng)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2019GGJS279）

作者簡介：孫敬（1991-），女，助教，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用;孫濱（1983-），男，副教授，碩士研究生，研究方向機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)。