图像视频编码和FFmpeg(2)-----YUV格式介绍和应用

        本文不讲FFmpeg，而是讲YUV图像格式。因为摄像头拍摄出来的原始图像一般都是YUV格式。在FFmpeg中，视频是通过多张YUV图像而得到。

         YUV图像格式是什么，这个可以看一下维基百科。这个超链接打开即可，无需细看。因为看了也不会懂YUV格式是什么。不信的话，我问你，对于耳熟能详的RGB格式，你懂了吗？你除了“用红绿蓝表示各种颜色，并且R、G、B一般用一个字节来存储”还懂其他吗？估计不能再说东西了吧。对于YUV也是这样，所以没必要看了。

        YUV中的Y、U、V三个分量分别表示明亮度、色度、浓度，每一个分量也是用一个字节来存放的。我们在学习一样新东西时，总是喜欢拿之前学习过的东西作类比，或者想知道新旧东西的关联，下面就给出YUV和RGB两者相互转换的公式：

         

         

         从公式中可以看到，两者进行转换的时候，可能会发生溢出。这个在计算的时候需要注意。处理的方法是截断。比如大于255的，就将之设255.小于0的，其值为0.

         YUV格式是有很多种的。比较常见的有YUV4:4:4、YUV4:2:0、YUV4:2:2。后两种又可以细分成几种的，比如YUV422有YUYV422、UYVY422、YUV422P等。晕了吧~~

         其实只需记得：

1. YUV 4:4:4采样，每一个Y对应一组UV分量。 
2. YUV 4:2:2采样，每两个Y共用一组UV分量。 
3. YUV 4:2:0采样，每四个Y共用一组UV分量。

        维基百科关于他们的布局说明：

• 4:4:4表示完全取样。
• 4:2:2表示2:1的水平取样，垂直完全采样。
• 4:2:0表示2:1的水平取样，2:1垂直采样。
• 4:1:1表示4:1的水平取样，垂直完全采样。

        布局示意图可以参考链接1和链接2

         

        上面的只是逻辑布局，但作为码农更想知道他们的物理布局(存储方式)，因为要读取数据。这要先了解两个概念：planar和packed。在RGB格式中，假如有3个像素点，那么既可以这样存：RGBRGBRGB，也可以RRRGGGBBB。前面一种称为packed（打包模式），后面一种称为planner（平行模式）。同样对应YUV也是有这两种模式的。

        对于planar的YUV格式，先连续存储所有像素点的Y，紧接着存储所有像素点的U，随后是所有像素点的V。对于packed的YUV格式，每个像素点的Y,U,V是连续交叉存储的。

        在FFmpeg中，已经定义了这两种模式。可以查看pixfmt.h文件。每一种图像格式，都会对应的说明是哪种模式的。

         （1）YUYV422:  packed模式

        

         （2）UYVY422:  packed模式（只是排列方式和前面的不同）

        

         （3）YUV422P： planner模式

        

         （4）YUV420P： planner模式

        

          这里还有一个问题要注意：对于一个width * height的YUV图像，占有多大的字节。这关乎到读取一个YUV文件时，要读多少字节才能把一张图像完全读进内存。对于不同的YUV格式，有不同的大小。

        对于YUV422来说，是两个y共享一对u和v。所以y0  u y1  v（YUYV422）这4个字节存储的内存代表了两个像素(y0, u, v) 和(y1, u, v)。所以，4比2的关系，所以一个像素会占两个字节，所以对应YUV422来说要width * height * 2个字节。

        在FFmpeg中，有一个函数，可以直接算这个大小的，函数的输入参数就是图像的格式、图像的width和height。下一篇博文会说到这个函数。

         好了，扯了这么多，要写些代码才能满足码农。

        这个例子先在YUV文件中读取一个图像，然后转换成RGB24格式，最后用OpenCV播放图像，可以达到视频的效果。

#include<stdio.h>
#include<highgui.h> //for OpenCV

//转换函数
void YUV2RGB(int y, int u, int v, int* r, int* g, int* b)
{
    assert( r != NULL && g != NULL && b != NULL);

    *r = y + 1.13983 * (v - 128);
    *g = y - 0.39465 * (u - 128) - 0.58060 * (v - 128);
    *b = y + 2.03211 * (u - 128);

    *r = *r > 255 ? 255 : *r;
    *r = *r < 0   ? 0   : *r;

    *g = *g > 255 ? 255 : *g;
    *g = *g < 0   ? 0   : *g;

    *b = *b > 255 ? 255 : *b;
    *b = *b < 0   ? 0   : *b;
}


//把RGB数据填充到OpenCV的IplImage结构体成员imageData中
//imageData是一个数组，其用来存放每一个像素点的BGR。
//其排列的形式很简单(BGR)(BGR)(BGR)(BGR)(BGR)
void fillImage(IplImage* pimg, int r, int g, int b)
{
    static int h = 0, w = 0;

    //这里是BGR的顺序。因为OpenCV存放像素的顺序的BGRBGRBGR
    pimg->imageData[h*pimg->widthStep + w++] = b;
    pimg->imageData[h*pimg->widthStep + w++] = g;
    pimg->imageData[h*pimg->widthStep + w++] = r;

    //这部分代码是和OpenCV的一些性质有关，如果看不懂，可以忽略。
    //上面的pimg->widthStep也是与OpenCV的性质有关
    if( w/3 >= pimg->width )
    {
        w = 0;
        if( h == pimg->height - 1  )
            h = 0;
        else
            ++h;
    }
}


void convertImage(IplImage* pimg, unsigned char* yuv_buff, int len)
{
    int i;
    int r, g, b;
    int y0, y1, u, v;

    for(i = 0; i < len; i += 4)
    {
        //其排列方式是y0 u y1 v
        //直接提取出来y、u、v三个分量，然后使用公式转成RGB即可
        //因为两个y共享一对uv。故y0 u y1 v能提取出两组(y, u, v)
        y0 = yuv_buff[i + 0];
        u  = yuv_buff[i + 1];
        y1 = yuv_buff[i + 2];
        v  = yuv_buff[i + 3];

        YUV2RGB(y0, u, v, &r, &g, &b);
        //将RGB分量填充到OpenCV的IplImage中
        fillImage(pimg, r, g, b);

        YUV2RGB(y1, u, v, &r, &g, &b);
        fillImage(pimg, r, g, b);
    }
}


int main(int argc, char** argv)
{
    const char* filename = argc > 1 ? argv[1] : "waterfall_yuyv422.yuv";

    FILE* fin = fopen(filename, "rb");
    if( fin == NULL )
    {
        printf("can't open the file
");
        return -1;
    }

    int width = 352;
    int height = 288;

    //一张完整的图像 对应在 yuv文件中 占据的字节数
    //因为是yuyv格式的yuv，所以其排列方式是y0 u y1 v y2 u v y3
    //因为是两个y共享一对u和v。所以y0 u y1 v代表两个像素(y0, u, v)
    //和(y1, u, v)，对应地会有两个RGB像素。
    //也就是说y0 u y1 v这4个字节的内容等于2个像素， 2比1的关系。
    //所以有width * height个像素，就应该要width * height * 2个字节
    //这个关系是yuv422特有的。对于yuv444和yuv420会有不同的比例关系
    int frame_size = width * height * 2;


    unsigned char* buff = new unsigned char[frame_size];

    IplImage* pimg = cvCreateImage(cvSize(width, height),
                                   IPL_DEPTH_8U, 3);
    cvNamedWindow("1.jpg");

    //这里用图像做成一个视频播放器
    while( 1 )
    {
        int ret = fread(buff, 1, frame_size, fin);
        if( ret != frame_size )
        {
            break;
        }

        convertImage(pimg, buff, frame_size);
        cvShowImage("1.jpg", pimg);
        cvWaitKey(33);
    }


    cvReleaseImage(&pimg);
    cvDestroyWindow("1.jpg");

    delete [] buff;

    return 0;
}

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