YUV444与YUV422下采样

时间：2023-01-10 20:30:34

终于下定决心开始研究多媒体技术、开始进实验室学习！庆祝撒花bla bla~~

这篇文章写我做第一个小实验遇到的问题和一些知识点总结。

一、YUV介绍

YUV有三个分量：Y（Luminance/Luma：亮度）、U和V表示色差，体现的是图片的色彩信息。相对于RGB彩色空间，将亮度信息和色彩信息分离。这种编码模式也更加适应于人眼，据研究表明，人眼对亮度信息比色彩信息更加敏感。而YUV下采样就是根据人眼的特点，将人眼相对不敏感的色彩信息进行压缩采样，得到相对小的文件进行播放和传输。
与YUV相像YCbCr其实与其有少许不同，体现在参数的大小上，本质上都是将亮度信息与色彩信息相分开。

二、采集方式

YUV有三种采集方式，分别是4:4:4采样、4:2:2采样和4:2:0采样。

4:4:4采样：每一个Y对应一个U和一个V。大小为3*width*height（width和height是一帧的大小）。

4:2:2采样： 每两个Y共用一对U和V。大小为2*width*height（其中U分量和V分量各占1/2个帧大小）。

4:2:0采样：每四个Y共用一对U和V。大小为3/2*width*height（其中U分量和V分量各站1/4个帧大小）。

YUV444与YUV422下采样


三、存储格式

（一）平面格式与打包格式

YUV有打包格式（packed）和平面格式（planar）两种。
打包格式：将YUV三个分量放在同一个数组中，通常是几个相邻像素组成一个宏像素。例如YUV422中的YUVY（存储顺序为Y1->Cb->Y2->Cr）。
YUV444与YUV422下采样
平面格式：使用三个数组分开存放YUV三个分量（每一帧）。其中YUV444p、YUV422p、YUV420p和YUV420sp使用的都是这种存储方式，格式末尾的p代表平面模式。下图是YUV422p。
YUV444与YUV422下采样

（二）各种格式

1、YUV444

（1）YUV444p：YYYYYYYYY VVVVVVVVV UUUUUUUU

2、YUV422

（1）YUV422p：YYYYYYYY VVVV UUUU
（2）YUVY：YCbYCr YCbYCr YCbYCr
（3）UYVY：CbYCrY CbYCrY CbYCrY

3、YUV420

（1）YUV420p：
YV12：YYYYYYYY VV UU
I420：YYYYYYYY UU VV
（2）YUV420sp：
NV12：YYYYYYYY UVUV
NV21：YYYYYYYY VUVU

四、代码

平台：Visual Studio 2015
结构如图：这里就不贴测试函数了
语言：C/C++
YUV444与YUV422下采样
头文件： 
#pragma once
//
// downSampling.h
// Defination of clss downSampling
// Three methods: down 444to422, 444to420, 422to420
//

#ifndef DOWN_SAMPLING
#define DOWN_SAMPLING

#include <stdio.h>
using namespace std;

class downSampling {
public:
	void down444to422(char[], int, int);
	void down444to420(char[], int, int);
	void down422to420(char[], int, int);
};

#endif

（一）444p转422p

void downSampling::down444to422(char filepath[], int width, int height) {	FILE* pFile;	FILE* wr;	errno_t err1, err2;	if ((err1 = fopen_s(&pFile, filepath, "rb+") != 0) || (err2 = fopen_s(&wr, "Data/444to422.yuv", "a") != 0)) {		cout << "Cannot open the file!" << endl;	}	else {		long size;		fseek(pFile, 0, SEEK_END);		size = ftell(pFile);		rewind(pFile);		// frame size		int frame = size / width / height / 3;			// 需将项目属性中堆栈保留空间调大:KB=1000B 1MB=1000KB 1GB=1000MB=1000000KB 1TB=1000GB=1000000MB=1000000000KB		// 一个像素大小		char data[1];		//一帧中Y分量大小		char stream[414720];				for (int i = 1; i <= frame; ++i) {			fread(stream, sizeof(char), sizeof(stream), pFile);			fwrite(stream, sizeof(char), sizeof(stream), wr);			for (int j = 1; j <= width*height; j++) {				fread(data, sizeof(char), sizeof(data), pFile);				fseek(pFile, 1, SEEK_CUR);				fwrite(data, sizeof(char), sizeof(data), wr);			}		}		fclose(pFile);		fclose(wr);	}}

444p与422p对比：

YUV444与YUV422下采样  YUV444与YUV422下采样

（二）444p转420p

void downSampling::down444to420(char filepath[], int width, int height) {	FILE* pFile;	FILE* wr;	errno_t err1, err2;	if ((err1 = fopen_s(&pFile, filepath, "rb+") != 0) || (err2 = fopen_s(&wr, "Data/444to420.yuv", "a") != 0)) {		cout << "Cannot open the file!" << endl;	}	else {		long size;		fseek(pFile, 0, SEEK_END);		size = ftell(pFile);		rewind(pFile);		// frame size		int frame = size / width / height / 3;		// 需将项目属性中堆栈保留空间调大		// 一个数据大小		char data[1];		// 一帧中Y分量大小		char stream[414720];		// 错误原因同422转420：跳取+隔行		for (int i = 1; i <= frame; ++i) {			fread(stream, sizeof(char), sizeof(stream), pFile);			fwrite(stream, sizeof(char), sizeof(stream), wr);			for (int j = 1; j <= height; j++) {				for (int k = 1; k <= width/2; k++) {					fread(data, sizeof(char), sizeof(data), pFile);					fseek(pFile, 1, SEEK_CUR);					fwrite(data, sizeof(char), sizeof(data), wr);				}				fseek(pFile, 720, SEEK_CUR);			}		}		fclose(pFile);		fclose(wr);	}}
444p与420p对比：
YUV444与YUV422下采样  YUV444与YUV422下采样

（三）422p转420p

void downSampling::down422to420(char filepath[], int width, int height) {	FILE* pFile;	FILE* wr;	errno_t err1, err2;	if ((err1 = fopen_s(&pFile, filepath, "rb+") != 0) || (err2 = fopen_s(&wr, "Data/422to420.yuv", "a") != 0)) {		cout << "Cannot open the file!" << endl;	}	else {		long size;		fseek(pFile, 0, SEEK_END);		size = ftell(pFile);		rewind(pFile);		// frame size		int frame = size / width / height / 2;		// 需将项目属性中堆栈保留空间调大		// 一行1/2大小: width/2		char data[360];		// 一帧中Y分量大小		char stream[414720];		for (int i = 1; i <= frame; ++i) {			fread(stream, sizeof(char), sizeof(stream), pFile);			fwrite(stream, sizeof(char), sizeof(stream), wr);			for (int j = 0; j < height; j ++) {				fread(data, sizeof(char), sizeof(data), pFile);				fwrite(data, sizeof(char), sizeof(data), wr);				fseek(pFile, 360, SEEK_CUR);			}			/* 注意是各行取，不是隔列取			for (int j = 1; j <= width*height / 2; j++) {				fread(data, sizeof(char), sizeof(data), pFile);				fseek(pFile, 1, SEEK_CUR);				fwrite(data, sizeof(char), sizeof(data), wr);			}			*/		}		fclose(pFile);		fclose(wr);	}}
422p与420p对比：

YUV444与YUV422下采样  YUV444与YUV422下采样

五、问题

1、C文件读取

用C语言文件读取时，需要包含头文件<stdio.h>/<cstdio>
代码中用到了fopen、fread、fseek、fwrite、rewind、fclose等函数，详细用法见cplusplus.com。

2、VS中的fopen无法使用

先开始用fopen()函数，后来编译时会报使用fopen不安全的错误，建议用fopen_s。
fopen_s与fopen的用法稍有不同，需要加上errno判断等，详细用法资料能搜索到。

3、memcpy()函数用法

写之前看了很多参考资料，很多人用memcpy()函数代替fread()和fwrite()实现两个文件的直接粘贴。

我上面的代码中是用了buffer作文中间存储流转换的。

如果使用memcpy(wr, pFile, width * height * 3)会报非法访问的错误。在stack overflow上看到的解释是wr和pFile两个FILE*类型不能这样粘贴。

4、隔列/行取和跳取

这个问题是我看了很久才发现，视频动起来的时候发现一部分颜色有点奇怪，其实就是每一区域没有色度变量。后来发现是因为算法中UV变量的取法不对。
以422p转420p的代码为例，
错误版本： 
for (int j = 1; j <= width*height / 2; j++) {	fread(data, sizeof(char), sizeof(data), pFile);	fseek(pFile, 1, SEEK_CUR);	fwrite(data, sizeof(char), sizeof(data), wr);}
正确版本：是各行取不是隔列取

5、VS中堆栈的预留大小不够

处理时先开始总是报堆栈溢出的错误，上网查资料发现VS中堆栈的预留大小只有1M，处理视频肯定远远不够呀。
解决方法是项目名右击找到属性-链接器-系统中改变堆栈预留空间的大小就好~
YUV444与YUV422下采样
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