音视频入门-08-RGB&YUV

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YUV & RGB 相互转换公式

YCbCr 的 Y 与 YUV 中的 Y 含义一致，Cb 和 Cr 与 UV 同样都指色彩，Cb 指蓝色色度，Cr 指红色色度，在应用上很广泛，JPEG、MPEG、DVD、摄影机、数字电视等皆采此一格式。
因此一般俗称的 YUV 大多是指 YCbCr 。

• RGB to YUV（YCbCr）

RGB 范围 [0,255]，Y 范围 [16,235] ，UV 范围 [16,239]。如果计算结果超过了取值范围要进行截取。

Y = 0.257*R + 0.504*G + 0.098*B + 16;
U = -0.148*R - 0.291*G + 0.439*B + 128;
V = 0.439*R - 0.368*G - 0.071*B + 128;

• YUV（YCbCr）to RGB

RGB 范围 [0,255]，Y 范围 [16,235] ，UV 范围 [16,239]。如果计算结果超过了取值范围要进行截取。

R = 1.164*(Y - 16) + 1.596*(V - 128);
G = 1.164*(Y - 16) - 0.813*(V - 128) - 0.391*(U - 128);
B = 1.164*(Y - 16) + 2.018*(U - 128);

FFmpeg 工具的辅助

FFmpeg 将 之前生成的彩虹图 BMP 转成 YUV 格式的文件、RGB 格式的文件

ffmpeg -i rainbow.bmp -video_size 700x700 -pix_fmt yuv444p rainbow-yuv444p.yuv

ffmpeg -i rainbow.bmp -video_size 700x700 -pix_fmt rgb24 rainbow-rgb24.rgb

FFplay 查看生成的 YUV 格式的文件、RGB 格式的文件

ffplay -f rawvideo -pix_fmt yuv444p -video_size 700x700 rainbow-yuv444p.yuv

ffplay -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -video_size 700x700 rainbow-rgb24.rgb

用代码实现 RGB & YUV 转换

RGB -> YUV

将 FFmpeg 生成的 RGB24 格式转换成 YUV444P 格式。
[rainbow-rgb24.rgb] -> [rainbow-rgb24-to-yuv444p.yuv]

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>

// 彩虹的七种颜色
u_int32_t rainbowColors[] = {
        0XFF0000, // 红
        0XFFA500, // 橙
        0XFFFF00, // 黄
        0X00FF00, // 绿
        0X007FFF, // 青
        0X0000FF, // 蓝
        0X8B00FF  // 紫
};

u_int8_t bound(u_int8_t start, int value, u_int8_t end) {
    if(value <= start) {
        return start;
    }
    if(value >= end) {
        return end;
    }
    return value;
}

void rgbToYuv(u_int8_t R, u_int8_t G, u_int8_t B, u_int8_t *Y, u_int8_t *U, u_int8_t *V) {
    int y_val = (int)round(0.257*R + 0.504*G + 0.098*B + 16);
    int u_val = (int)round(-0.148*R - 0.291*G + 0.439*B + 128);
    int v_val = (int)round(0.439*R - 0.368*G - 0.071*B + 128);
    *Y = bound(16, y_val, 235);
    *U = bound(16, u_val, 239);
    *V = bound(16, v_val, 239);
}


void rgb24ToYuv444p(const u_int8_t *rgb24Data, u_int8_t *yuv444pData, int width, int height) {

    int8_t yuv_y[width*height];
    int8_t yuv_u[width*height];
    int8_t yuv_v[width*height];

    for (int i = 0; i < width; ++i) {
        for (int j = 0; j < height; ++j) {
            u_int8_t Y, U, V;
            u_int8_t R, G, B;

            int currentRGBIndex = 3*(i*height+j);
            R = rgb24Data[currentRGBIndex];
            G = rgb24Data[currentRGBIndex+1];
            B = rgb24Data[currentRGBIndex+2];

            rgbToYuv(R, G, B, &Y, &U, &V);

            int currentYUVIndex = i*height+j;
            yuv_y[currentYUVIndex] = Y;
            yuv_u[currentYUVIndex] = U;
            yuv_v[currentYUVIndex] = V;
        }
    }
    
    memcpy(yuv444pData, yuv_y, sizeof(yuv_y));
    memcpy(yuv444pData + sizeof(yuv_y), yuv_u, sizeof(yuv_u));
    memcpy(yuv444pData + sizeof(yuv_y) + sizeof(yuv_u), yuv_v, sizeof(yuv_v));
    
}

int main() {
    int width = 700, height = 700;
    u_int8_t yuv444pData[width*height*3];
    u_int8_t rgb24Data[width*height*3];
    
    FILE *rgb24File = fopen("/Users/staff/Desktop/rainbow-rgb24.rgb", "rb");
    fread(rgb24Data, sizeof(rgb24Data), 1, rgb24File);
    
    rgb24ToYuv444p(rgb24Data, yuv444pData, width, height);

    FILE *yuv444pFile = fopen("/Users/ff/Desktop/rainbow-rgb24-to-yuv444p.yuv", "wb");
    fwrite(yuv444pData, sizeof(yuv444pData), 1, yuv444pFile);
    
    fclose(rgb24File);
    fclose(yuv444pFile);
    return 0;
}

ffplay -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -video_size 700x700 rainbow-rgb24.rgb

ffplay -f rawvideo -pix_fmt yuv444p -video_size 700x700 rainbow-rgb24-to-yuv444p.yuv

YUV -> RGB

将 FFmpeg 生成的 YUV444P 格式转换成 RGB24 格式。
[rainbow-yuv444p.yuv] -> [rainbow-yuv444p-to-rgb24.rgb]

#include <stdio.h>
#include <math.h>


u_int8_t bound(u_int8_t start, int value, u_int8_t end) {
    if(value <= start) {
        return start;
    }
    if(value >= end) {
        return end;
    }
    return value;
}


void yuv444pToRGB(u_int8_t *yuv444pData,u_int8_t *rgb24Data, int width, int height) {
    u_int8_t *srcY = yuv444pData, *srcU = srcY + width * height, *srcV = srcU + width * height;

    for(int i = 0 ; i < height ; i ++) {
        for (int j = 0; j < width; j++) {
            int currentYUVIndex = i * height + j;
            u_int8_t Y = srcY[currentYUVIndex], U = srcU[currentYUVIndex], V = srcV[currentYUVIndex];

            int r_val = (int)round(1.164*(Y-16)+1.596*(V-128));
            int g_val = (int)round(1.164*(Y-16)-0.813*(V-128)-0.391*(U-128));
            int b_val = (int)round(1.164*(Y-16)+2.018*(U-128));

            int currentRGBIndex = 3*(i * width + j);
            rgb24Data[currentRGBIndex] = bound(0, r_val, 255);
            rgb24Data[currentRGBIndex+1] = bound(0, g_val, 255);
            rgb24Data[currentRGBIndex+2] = bound(0, b_val, 255);
        }
    }
}

int main() {
    int width = 700, height = 700;
    u_int8_t yuv444pData[width*height*3];
    u_int8_t rgb24Data[width*height*3];

    FILE *yuv444pFile = fopen("/Users/staff/Desktop/rainbow-yuv444p.yuv", "rb");
    fread(yuv444pData, sizeof(yuv444pData), 1, yuv444pFile);

     yuv444pToRGB(yuv444pData, rgb24Data, width, height);

    FILE *rgb24File = fopen("/Users/staff/Desktop/rainbow-yuv444p-to-rgb24.rgb", "wb");
    fwrite(rgb24Data, sizeof(rgb24Data), 1, rgb24File);

    fclose(yuv444pFile);
    fclose(rgb24File);
    return 0;
}

ffplay -f rawvideo -pix_fmt yuv444p -video_size 700x700 rainbow-yuv444p.yuv

ffplay -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -video_size 700x700 rainbow-yuv444p-to-rgb24.rgb

使用色彩丰富的图片验证

准备一张手机拍摄的 Disney.png

ffmpeg -i Disney.png -video_size 700x700 -pix_fmt yuv444p Disney-yuv444p.yuv
ffmpeg -i Disney.png -video_size 700x700 -pix_fmt rgb24 Disney-rgb24.rgb

ffplay -f rawvideo -pix_fmt yuv444p -video_size 700x700 Disney-yuv444p.yuv
ffplay -f rawvideo -pix_fmt rgb24 -video_size 700x700 Disney-rgb24.rgb

使用上面的代码进行转换后得到 Disney-rgb24-to-yuv444p.yuv Disney-yuv444p-to-rgb24.rgb

Congratulations!

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代码：
08-rgb-to-yuv

参考资料：

YUV 格式与 RGB 格式的相互转换公式及C++ 代码

Color Conversion

videolan-YUV

博客目录-技术-视频处理

YUV格式学习：YUV420P、YV12、NV12、NV21格式转换成RGB24

图像RGB2YUV与YUV2RGB格式互转介绍

YUV转RGB的优化算法

YUV 格式与 RGB 格式的相互转换公式及C++ 代码

YUV420与YUV444互转，YUV420与YUV444读取和保存，YUV的显示和播放功能

YCbCr与YUV的区别

维基百科-YUV

维基百科-YCbCr

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