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RGB与YUV图像视频格式的相互转换
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通过本文您可以学习到如何把图像转换为电视视频格式，YUV图像视频主要应用于电视和游戏视频显示。笔者以一张24位BMP图像为例实现RGB与YUV相互转换。如果您对图像转换成电视场制的视频格式有疑惑，相信本文能使您了解更多关于图像与视频格式转换的细节。
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，使用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。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，那么为什么要用BMP来演示隔行读取呢，因为要实现RGB转电视场制图像，首先就要知道如何隔行读取。 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： // 隔行显示BMPvoid CRGB2YUVView::OnReadBmp(){ // TODO: Add your command handler code here CDC *pDC = GetDC(); CRect rect; CBrush brush(RGB(128,128,128)); GetClientRect(&rect); pDC-FillRect(&rect, &brush); BITMAPFILEHEADER bmfh; BITMAPINFOHEADER bmih; char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.bmp"; CFile* f; f = new CFile(); f-Open(strFileName, CFile::modeRead); f-SeekToBegin(); f-Read(&bmfh, sizeof(bmfh)); f-Read(&bmih, sizeof(bmih)); // 分配图片像素内存 RGBTRIPLE *rgb; rgb = new RGBTRIPLE[bmih.biWidth*bmih.biHeight]; f-SeekToBegin(); f-Seek(54,CFile::begin); // BMP 54个字节之后的是像素数据 f-Read(rgb, bmih.biWidth * bmih.biHeight * 3); // 这里只读24位RGB(r,g,b)图像 // 显示上场 (奇数行组成的奇数场) for (int i = 0; i for (int j = 0; j if(!(i%2)) pDC-SetPixel(j, bmih.biHeight-i, RGB(rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtRed,rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtGreen,rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtBlue)); for (int k=0; k1000; k++) ; //延时 } } Sleep(500); // 显示下场 (偶数行组成的偶数场) for (int i_ = 0; i_ for (int j_ = 0; j_ if(i_%2) pDC-SetPixel(j_, bmih.biHeight-i_, RGB(rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtRed,rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtGreen,rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtBlue)); for (int k=0; k1000; k++) ; //延时 } } // 显示24位BMP信息 LONG dwWidth = bmih.biWidth; LONG dwHeight = bmih.biHeight; WORD wBitCount = bmih.biBitCount; char buffer[80]; sprintf(buffer,"图像宽为：%ld 高为：%ld 像数位数：%d", dwWidth, dwHeight, wBitCount); MessageBox(buffer, "每个像素的位数", MB_OK | MB_ICONINFORMATION); f-Close(); delete f; delete rgb;}
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，V0，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，在演示中直接把UYVY字节信息保存到*.pal格式中（这是我自己写来测试用的^_^），*.pal格式字节顺序是先保存上场像素，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： // RGB转换为YUVvoid CRGB2YUVView::RGB2YUV(byte *pRGB, byte *pYUV){ byte r,g,b; r = *pRGB; pRGB++; g = *pRGB; pRGB++; b = *pRGB; *pYUV = static_cast(0.257*r + 0.504*g + 0.098*b + 16); pYUV++; // y *pYUV = static_cast(-0.148*r - 0.291*g + 0.439*b + 128); pYUV++; // u *pYUV = static_cast(0.439*r - 0.368*g - 0.071*b + 128); // v} 像素转换实现： // 转换RGBvoid CRGB2YUVView::OnConvertPAL(){ CDC *pDC = GetDC(); CRect rect; CBrush brush(RGB(128,128,128)); GetClientRect(&rect); pDC-FillRect(&rect, &brush); // PAL 720x576 : 中国的电视标准为PAL制 int CurrentXRes = 720; int CurrentYRes = 576; int size = CurrentXRes * CurrentYRes; // 分配内存 byte *Video_Field0 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes); byte *Video_Field1 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes); // 保存内存指针 byte *Video_Field0_ = Video_Field0; byte *Video_Field1_ = Video_Field1; byte yuv_y0, yuv_u0, yuv_v0, yuv_v1; // {y0, u0, v0, v1}; byte bufRGB[3]; // 临时保存{R,G,B} byte bufYUV[3]; // 临时保存{Y,U,V} // 初始化数组空间 ZeroMemory(bufRGB, sizeof(byte)*3); ZeroMemory(bufYUV, sizeof(byte)*3); // 初始化内存 ZeroMemory(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes); ZeroMemory(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes); // BMP 位图操作 BITMAPFILEHEADER bmfh; BITMAPINFOHEADER bmih; char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.bmp"; CFile* f; f = new CFile(); f-Open(strFileName, CFile::modeRead); f-SeekToBegin(); f-Read(&bmfh, sizeof(bmfh)); f-Read(&bmih, sizeof(bmih)); // 分配图片像素内存 RGBTRIPLE *rgb; rgb = new RGBTRIPLE[bmih.biWidth*bmih.biHeight]; f-SeekToBegin(); f-Seek(54,CFile::begin); // BMP 54个字节之后的是位像素数据 f-Read(rgb, bmih.biWidth * bmih.biHeight * 3); // 这里只读24位RGB(r,g,b)图像 // 上场 (1,3,5,7...行) for (int i = bmih.biHeight-1; i=0; i--) { for (int j = 0; j if(!(i%2)==0) { bufRGB[0] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtRed; // R bufRGB[1] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtGreen; // G bufRGB[2] = rgb[i*bmih.biWidth+j].rgbtBlue; // B // RGB转换为YUV RGB2YUV(bufRGB,bufYUV); yuv_y0 = bufYUV[0]; // y yuv_u0 = bufYUV[1]; // u yuv_v0 = bufYUV[2]; // v for (int k=0; k1000; k++) ; //延时 // 视图中显示 pDC-SetPixel(j, (bmih.biHeight-1)-i, RGB(bufRGB[0], bufRGB[1], bufRGB[2])); // UYVY标准 [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5] 每像素点两个字节，[内]为四个字节 if ((j%2)==0) { *Video_Field0 = yuv_u0; Video_Field0++; yuv_v1 = yuv_v0; // v保存起来供下一字节使用 } else { *Video_Field0 = yuv_v1; Video_Field0++; } *Video_Field0 = yuv_y0; Video_Field0++; }// end if i%2 } } // 下场 (2,4,6,8...行) for (int i_ = bmih.biHeight-1; i_=0; i_--) { for (int j_ = 0; j_ if((i_%2)==0) { bufRGB[0] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtRed; // R bufRGB[1] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtGreen; // G bufRGB[2] = rgb[i_*bmih.biWidth+j_].rgbtBlue; // B // RGB转换为YUV RGB2YUV(bufRGB,bufYUV); yuv_y0 = bufYUV[0]; // y yuv_u0 = bufYUV[1]; // u yuv_v0 = bufYUV[2]; // v for (int k=0; k1000; k++) ; //延时 // 视图中显示 pDC-SetPixel(j_, (bmih.biHeight-1)-i_, RGB(bufRGB[0], bufRGB[1], bufRGB[2])); // UYVY标准 [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5] 每像素点两个字节，[内]为四个字节 if ((j_%2)==0) { *Video_Field1 = yuv_u0; Video_Field1++; yuv_v1 = yuv_v0; // v保存起来供下一字节使用 } else { *Video_Field1 = yuv_v1; Video_Field1++; } *Video_Field1 = yuv_y0; Video_Field1++; } } } // 关闭BMP位图文件 f-Close(); WriteYUV(Video_Field0_, Video_Field1_, size); // 释放内存 free( Video_Field0_ ); free( Video_Field1_ ); delete f; delete rgb;} 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还原为原有的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，例如我做了一个简单的分析，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： // 反变换公式 R= 1.0Y + 0 +1.402(V-128) G= 1.0Y - 0.34413 (U-128)-0.71414(V-128) B= 1.0Y + 1.772 (U-128)+0 代码实现：void CRGB2YUVView::YUV2RGB(byte *pRGB, byte *pYUV){ byte y, u, v; y = *pYUV; pYUV++; u = *pYUV; pYUV++; v = *pYUV; *pRGB = static_cast(1.0*y + 8 + 1.402*(v-128)); pRGB++; // r *pRGB = static_cast(1.0*y - 0.34413*(u-128) - 0.71414*(v-128)); pRGB++; // g *pRGB = static_cast(1.0*y + 1.772*(u-128) + 0); // b} // 读取PAL文件转换为RGB并显示void CRGB2YUVView::OnReadPAL(){ // TODO: Add your command handler code here CDC *pDC = GetDC(); CRect rect; CBrush brush(RGB(128,128,128)); GetClientRect(&rect); pDC-FillRect(&rect, &brush); // PAL 720x576 : 中国的电视标准为PAL制 int CurrentXRes = 720; int CurrentYRes = 576; int size = CurrentXRes * CurrentYRes; // 分配内存 byte *Video_Field0 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes); byte *Video_Field1 = (byte*)malloc(CurrentXRes*CurrentYRes); // 保存内存指针 byte *Video_Field0_ = Video_Field0; byte *Video_Field1_ = Video_Field1; // 初始化内存 ZeroMemory(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes); ZeroMemory(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes); byte yuv_y0, yuv_u0, yuv_v0; // yuv_v1; // {y0, u0, v0, v1}; byte r, g, b; byte bufRGB[3]; // 临时保存{R,G,B} byte bufYUV[3]; // 临时保存{Y,U,V} // 初始化数组空间 memset(bufRGB,0, sizeof(byte)*3); memset(bufYUV,0, sizeof(byte)*3); char strFileName[MAX_PATH]="720bmp.pal"; // 分配图片像素内存 RGBTRIPLE *rgb; rgb = new RGBTRIPLE[CurrentXRes*CurrentYRes]; memset(rgb,0, sizeof(RGBTRIPLE)*CurrentXRes*CurrentYRes); // 初始化内存空间 CFile* f; f = new CFile(); f-Open(strFileName, CFile::modeRead); f-SeekToBegin(); f-Read(Video_Field0, CurrentXRes*CurrentYRes); f-Read(Video_Field1, CurrentXRes*CurrentYRes); // 上场 (1,3,5,7...行) for ( int i = CurrentYRes-1; i=0; i--) { for ( int j = 0; j if(!(i%2)==0) { // UYVY标准 [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5] 每像素点两个字节，[内]为四个字节 if ((j%2)==0) { yuv_u0 = *Video_Field0; Video_Field0++; } else { yuv_v0 = *Video_Field0; Video_Field0++; } yuv_y0 = *Video_Field0; Video_Field0++; bufYUV[0] = yuv_y0; // Y bufYUV[1] = yuv_u0; // U bufYUV[2] = yuv_v0; // V // RGB转换为YUV YUV2RGB(bufRGB,bufYUV); r = bufRGB[0]; // y g = bufRGB[1]; // u b = bufRGB[2]; // v if (r255) r=255; if (r0) r=0; if (g255) g=255; if (g0) g=0; if (b255) b=255; if (b0) b=0; for (int k=0; k1000; k++) ; //延时 // 视图中显示 pDC-SetPixel(j, CurrentYRes-1-i, RGB(r, g, b)); }// end if i%2 } } // 下场 (2,4,6,8...行) for ( int i_ = CurrentYRes-1; i_=0; i_--) { for ( int j_ = 0; j_ if((i_%2)==0) { // UYVY标准 [U0 Y0 V0 Y1] [U1 Y2 V1 Y3] [U2 Y4 V2 Y5] 每像素点两个字节，[内]为四个字节 if ((j_%2)==0) { yuv_u0 = *Video_Field1; Video_Field1++; } else { yuv_v0 = *Video_Field1; Video_Field1++; } yuv_y0 = *Video_Field1; Video_Field1++; bufYUV[0] = yuv_y0; // Y bufYUV[1] = yuv_u0; // U bufYUV[2] = yuv_v0; // V // RGB转换为YUV YUV2RGB(bufRGB,bufYUV); r = bufRGB[0]; // y g = bufRGB[1]; // u b = bufRGB[2]; // v if (r255) r=255; if (r0) r=0; if (g255) g=255; if (g0) g=0; if (b255) b=255; if (b0) b=0; for (int k=0; k1000; k++) ; //延时 // 视图中显示 pDC-SetPixel(j_, CurrentYRes-1-i_, RGB(r, g, b)); } } } // 提示完成 char buffer[80]; sprintf(buffer,"完成读取PAL文件：%s ", strFileName); MessageBox(buffer, "提示信息", MB_OK | MB_ICONINFORMATION); // 关闭PAL电视场文件 f-Close(); // 释放内存 free( Video_Field0_ ); free( Video_Field1_ ); delete f; delete rgb;}
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，本文主要是说明转换原理，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，希望这不会妨碍您对本文的理解。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。

楼主 2015-07-06 10:35 回复

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