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文章目录

• • • • 一. 实验名称
      • 二. 实验目的
      • 三. 实验要求
      • 四. 实验内容
      • • 1.典型的BMP图像文件由四部分组成：
        • • ① 位图文件头
          • ② 位图信息头
          • ③ 调色板
          • ④ 图像数据字节阵列
        • 2.字节序
      • 五. 实验过程
      • • 1.实验代码逻辑
        • 2.main函数逻辑
        • 3.代码实现
        • 4.debug过程
        • 5.实验结果
      • 六. 实验总结
      • • • 结构体
          • 文件操作
          • 动态内存分配

一. 实验名称

图像文件的读写和转换（设计性实验）

二. 实验目的

1．理解图像文件的基本组成。

2．掌握结构体作为复杂数据对象的用法。进一步熟悉由问题到程序的解决方案，并掌握编程细节：如内存分配、倒序读写、字节序、文件读写过程等。

三. 实验要求

选择BMP转YUV文件实验

• 素材为5个含不同场景的bmp文件，要求附上本人logo。（基本要求为24bit的BMP，进阶要求为支持小于24bit的BMP。）

• 编写将第一步所生成的多个BMP文件转化为YUV文件，要求可在命令行中设置每个画面出现的帧数。最后形成的YUV文件应至少包含200帧。重点掌握函数定义、缓冲区分配、倒序读写、结构体的操作。

• 对整个程序进行调试，并将生成的YUV文件用播放软件观看，验证是否正确。

四. 实验内容

实验指导、基础补充：

BMP（全称Bitmap）是Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB）。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，在绝大多数应用中不采用其他任何压缩，因此，BMP文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit、16bit及24bit。BMP文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

1.典型的BMP图像文件由四部分组成：

• 位图头文件数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；
• 位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；
• 调色板，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24位的BMP）就不需要调色板；
• 位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。

① 位图文件头

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {WORD    bfType;		//文件类型DWORD   bfSize;		//文件大小，单位：字节WORD    bfReserved1;//保留，设为0WORD    bfReserved2;//保留，设为0DWORD   bfOffBits;	//说明从BITMAPFILEHEADER结构开始到实际的图像数据之间的字节偏移量
} BITMAPFILEHEADER;

bfType=0x4d42才是BMP文件

打开实验bmp素材,查看bmp二进制信息。数据是小端存储的。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Xtu3NV22-1649517681093)(E:\【else】\素材库\typora_pic\image-20220409121144655.png)]

② 位图信息头

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {DWORD      biSize;			//说明结构体所需字节数LONG       biWidth;			//以像素为单位说明图像的宽度LONG       biHeight;		//以像素为单位说明图像的高度WORD       biPlanes;		//说明位面数，必须为1WORD       biBitCount;		//说明位数像素，1、2、4、8、24DWORD      biCompression;	//说明图像是否压缩及压缩类型BI_RGB、BI_RLE8、BI_RLE4、BI_BITFIELDSDWORD      biSizeImage;		//以字节为单位说明图像大小，必须是4的整数倍LONG       biXPelsPerMeter;	//目标设备的水平分辨率，像素/米LONG       biYPelsPerMeter;	//目标设备的垂直分辨率，像素/米DWORD      biClrUsed;		//说明图像实际用到的颜色数，如果为0则颜色数为2的 biBitCount次方cDWORD      biClrImportant;	//说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，表示都重要
} BITMAPINFOHEADER;

③ 调色板

调色板实际上是一个数组，它所包含的元素与位图所具有的颜色数相同，决定于biClrUsed和biBitCount字段。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构。真彩色无调色板部分。

typedef struct tagRGBQUAD {BYTE    rgbBlue;	//蓝色分量BYTE    rgbGreen;	//绿色分量BYTE    rgbRed;		//红色分量BYTE    rgbReserved;//保留，指定为0
} RGBQUAD;

④ 图像数据字节阵列

紧跟在调色板之后的是图像数据字节阵列。对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值（逻辑色）。对于真彩色图，图像数据就是实际的R、G、B值。图像的每一扫描行由表示图像像素的连续的字节组成，每一行的字节数取决于图像的颜色数目和用像素表示的图像宽度。规定每一扫描行的字节数必须是4的整倍数，也就是DWORD对齐的。扫描行是由底向上存储的，这就是说，阵列中的第一个字节表示位图左下角的像素，而最后一个字节表示位图右上角的像素。

对于用到调色板的位图，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值逻辑色，真彩色位图如24bit BMP直接使用实际的 R 、G、B值。

2.字节序

不同的计算机系统采用不同的字节序存储数据，同样一个4字节的32位整数，在内存中存储的方式不同。字节序分为小尾字节序(Little Endian)和大尾字节序(Big Endian)。Intel处理器大多数使用小尾字节序。小尾就是“低位在前，高位在后”。大尾就是“高位在前，低位在后”。TCP/IP各层协议将字节序定义为大尾，因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。在实现BMP文件头信息的写入和读出时，需要注意整数保存时的字节序。例如：文件大小是以Intel序保存的。在编程前先用二进制打开方式观察BMP文件各个部分的数据存储格式。

五. 实验过程

1.实验代码逻辑

2.main函数逻辑

3.代码实现

• 头文件

#pragma once
#include "headinfo.h"int RGB2YUV(int x_dim, int y_dim, void* bmp, void* y_out, void* u_out, void* v_out);
int READRGB(int width, int height, FILE* bmpFile, unsigned char* rgb);
void InitLookupTable();

• rgb2yuv.cpp

#include<iostream>
#include "bmp2yuv.h"
#define uchar unsigned char
using namespace std;static float RGBYUV02990[256], RGBYUV05870[256], RGBYUV01140[256];
static float RGBYUV01684[256], RGBYUV03316[256];
static float RGBYUV04187[256], RGBYUV00813[256];int RGB2YUV(int width,int height,void* bmp,void* y_out,void* u_out,void* v_out )
{//变量定义static int init_Done = 0;uchar* r, * g, * b;uchar* y, * u, * v;uchar* y_buf, * u_buf, * v_buf;uchar* sub_u_buf,* sub_v_buf;uchar* s_u, * s_v;uchar* cu1, * cu2, * cv1, * cv2;long size;//把查找表算好if (init_Done == 0){InitLookupTable();init_Done = 1;}//操作指针分配内存空间size = width * height;y_buf = (uchar*)y_out;sub_u_buf = (uchar*)u_out;sub_v_buf = (uchar*)v_out;u_buf = (uchar*)malloc(size * sizeof(uchar));v_buf = (uchar*)malloc(size * sizeof(uchar));//rgb2yuvb = (uchar*)bmp;y = y_buf;u = u_buf;v = v_buf;for (long i = 0; i < size; i++){g = b + 1;r = b + 2;*y = (uchar)(RGBYUV02990[*r] + RGBYUV05870[*g] + RGBYUV01140[*b]);*u = (uchar)(-RGBYUV01684[*r] - RGBYUV03316[*g] + (*b) / 2 + 128);*v = (uchar)((*r) / 2 - RGBYUV04187[*g] - RGBYUV00813[*b] + 128);b += 3;y++;u++;v++;}for (long j = 0; j < height / 2; j++){//采样后的数组s_u = sub_u_buf + j * width / 2;s_v = sub_v_buf + j * width / 2;//在没采样的数据中操作位置的指针cu1 = u_buf + 2 * j * width;cv1 = v_buf + 2 * j * width;cu2 = u_buf + (2 * j + 1) * width;cv2 = v_buf + (2 * j + 1) * width;//开始赋值for (long i = 0; i < width / 2; i++){*s_u = (*cu1 + *(cu1 + 1) + *cu2 + *(cu2 + 1)) / 4;*s_v = (*cv1 + *(cv1 + 1) + *cv2 + *(cv2 + 1)) / 4;s_u++;s_v++;cu1 += 1;cv1 += 2;cu2 += 2;cv2 += 2;}}free(u_buf);free(v_buf);return 0;
}

int READRGB(int width, int height, FILE* bmpFile, uchar* rgb)
{uchar* bmp = (uchar*)malloc(sizeof(uchar) * width * height * 3);uchar* tmp_rgb = (uchar*)malloc(sizeof(uchar) * width * height * 3);//读取bmp文件fread(bmp, width * height * 3, 1, bmpFile);for (int i = 0; i < width * height*3; i++) {*(tmp_rgb + i) = *bmp;bmp++;}//bmp文件的存储顺序从左到右、从上到下//24bit的bmp提取rgb数据时 倒序转正序写入缓存区for (int i = 0; i < height; i++){for (int j = 0; j < width * 3; j++){*(rgb + (height - 1 - i) * width * 3 + j) = *tmp_rgb;tmp_rgb++;}}return 0;
}

void InitLookupTable()
{int i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV02990[i] = (float)0.2990 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV05870[i] = (float)0.5870 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01140[i] = (float)0.1140 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV01684[i] = (float)0.1684 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV03316[i] = (float)0.3316 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV04187[i] = (float)0.4187 * i;for (i = 0; i < 256; i++) RGBYUV00813[i] = (float)0.0813 * i;
}

• main.cpp

#include<iostream>
#include "headinfo.h"
#include "bmp2yuv.h"
#include<windows.h>
#define _CRT_SECURE_NO_DEPRECATE
#define uchar unsigned char
using namespace std;
//本实验素材是24bit真彩图，无调色板，代码省去调色板的判断int main()
{//定义变量BITMAPFILEHEADER FILE_header;BITMAPINFOHEADER INFO_header;FILE* bmpFile;FILE* yuvFile;uchar* rgbBuf;uchar* yBuf;uchar* uBuf;uchar* vBuf;int FWidth;int FHeight;const int picNum = 6;//创建指向图片的指针const char* bmpFileName[picNum] = { "1.bmp","2.bmp","3.bmp","4.bmp","5.bmp","6.bmp" };const char* yuvFileName = "video.yuv";//创建新的输出文件fopen_s(&yuvFile, yuvFileName,"wb");//逐个图片转换处理for (int i = 0; i < picNum; i++){//open每个bmp文件fopen_s(&bmpFile,bmpFileName[i], "rb");//读取bmp文件头if (fread(&FILE_header, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, bmpFile)!=1){cout << "read file header error!" << endl;exit(0);}else {cout << "read file header success!" << endl;}//判断是否是bmp文件类型if (FILE_header.bfType != 0x4D42) //此处是bmp的小端模式的数据{cout << "not the bmpFile!" << endl;exit(0);}else {cout << "this is a bmp file!" << endl;}//读取bmp信息头if (fread(&INFO_header, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, bmpFile)!=1){cout << "read info header error!" << endl;exit(0);}else {cout << "read info header success!" << endl;}//通过结构体实例的成员函数 来调用参数FWidth = INFO_header.biWidth;FHeight = INFO_header.biHeight;//给操作指针分配内存空间rgbBuf = (uchar*)malloc(FWidth * FHeight * 3);yBuf = (uchar*)malloc(FWidth * FHeight);uBuf = (uchar*)malloc(FWidth * FHeight / 4);vBuf = (uchar*)malloc(FWidth * FHeight / 4);//读取bmp的rgb数据READRGB(FWidth, FHeight, bmpFile, rgbBuf);//fwrite(rgbBuf, 1, FHeight * FWidth * 3, yuvFile);//rgb2yuvif (RGB2YUV(FWidth, FHeight,rgbBuf, yBuf, uBuf, vBuf)){cout << "rgb2yuv failed!" << endl;}for (int i = 0; i < FWidth * FHeight; i++){if (yBuf[i] < 16) yBuf[i] = 16;if (yBuf[i] > 235) yBuf[i] = 235;}for (int i = 0; i < FWidth * FHeight / 4; i++){if (uBuf[i] < 16) uBuf[i] = 16;if (uBuf[i] > 240) uBuf[i] = 240;if (vBuf[i] < 16) vBuf[i] = 16;if (vBuf[i] > 240) vBuf[i] = 240;}for (int i = 0; i < 40; i++){fwrite(yBuf, 1,FWidth * FHeight, yuvFile);fwrite(uBuf, 1,(FWidth * FHeight)/4, yuvFile);fwrite(vBuf, 1,(FWidth * FHeight)/4, yuvFile);}//释放空间，关闭文件free(rgbBuf);free(yBuf);free(uBuf);free(vBuf);fclose(bmpFile);}fclose(yuvFile);//结束
}

4.debug过程

ps: 我以为bmp结构体要自定义，自己声明一个头文件写结构体。报重定义的错，经过讨论才知道，BITMAPFILEHEADER 结构体在

<windows.h> 头文件中已经定义。

ps: 排除rgb2yuv函数的错以后，才知道READRGB函数中循环的i忘记乘3.

5.实验结果

六. 实验总结

知识点：

结构体

数据元素类型不同一逻辑数据体—结构体。用函数处理结构体中的数据，把结构成员的值个别地传给函数处理。

文件操作

FILE* fopen(char *filename,char *mode)//filename 打开文件路径 mode 打卡模式//若成功，返回指向被打开的文件的指针，若不成功返回空指针null
size_t fwrite(void* buffer,size_t size,size_t count,FILE* fp)//buffer 要读写的数据块地址，size 读写数据项的字节数，count 读写数据项数量，fp文件指针//若成功，返回世纪读写的数据项数量，若不成功，返回0
size_t fread(void* buffer,size_t size,size_t count,FILE* fp)//buffer 要读写的数据块地址，size 读写数据项的字节数，count 读写数据项数量，fp文件指针//若成功，返回世纪读写的数据项数量，若不成功，返回0

动态内存分配

void *malloc(size_t size)//返回一个指向它的指针。

还有重新捡起指针的用法。

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