RGB与YUV图像视频格式的相互转换

摘要：
通过本文您可以学习到如何把图像转换为电视视频格式，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，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：

// 隔行显示BMP
void 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; iSetPixel(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; k<1000; k++) ;  //延时
		}
	}

    Sleep(500);

    // 显示下场 (偶数行组成的偶数场)
	for (int i_ = 0; i_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; k<1000; 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，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：

// RGB转换为YUV
void 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RGB
void 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; jSetPixel(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_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： [e-mail] ），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：

//  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; j255) r=255; if (r<0) r=0;
				if (g>255) g=255; if (g<0) g=0;
				if (b>255) b=255; if (b<0) b=0;

				for (int k=0; k<1000; 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_255) r=255; if (r<0) r=0;
				if (g>255) g=255; if (g<0) g=0;
				if (b>255) b=255; if (b<0) b=0;

				for (int k=0; k<1000; 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 。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。