Raw to YUV and YUV to Raw
by DINHO
오늘은 YUV 파일에 대해 이야기 해보고, RAW TO YUV, YUV TO RAW 코드를 살펴보겠습니다.
YUV 컬러 공간은 인간의 눈의 특성을 고려하여 설계되었습니다.
- 인간의 눈은 밝기(Y)에는 민감하지만, 색차 신호(Cb, Cr)에는 상대적으로 둔감합니다.
- 이러한 특성을 활용하여 RGB 모델을 선형 변환하여 YUV 모델로 표현할 수 있습니다.
이번 글에서는 YUV 컬러 공간의 변환 공식과 저장 형식(YUV 422 및 420)에 대해 설명해보겠습니다.
변환 공식
RGB 모델에서 YUV 모델로의 선형 변환 공식은 다음과 같습니다.
RGB → YUV
\[Y = 0.257R' + 0.504G' + 0.098B' + 16\] \[Cb = -0.148R' - 0.291G' + 0.439B' + 128\] \[Cr = 0.439R' - 0.368G' - 0.071B' + 128\]YUV → RGB
\[R' = 1.164(Y - 16) + 1.596(Cr - 128)\] \[G' = 1.164(Y - 16) - 0.813(Cr - 128) - 0.392(Cb - 128)\] \[B' = 1.164(Y - 16) + 2.017(Cb - 128)\]-
Y (밝기, Luminance): 밝기를 나타내는 신호입니다. YUV 컬러 영상에서 Y 성분만 추출하면 흑백 영상을 얻을 수 있습니다.
-
Cb 및 Cr (색차, Chrominance): 각각 파랑(Cb) 및 빨강(Cr)의 색차 신호를 나타냅니다.
YUV 저장 형식: 422 및 420
YUV 422
-
Y, Cb, Cr이 4:2:2 비율로 저장됩니다.
-
Cb와 Cr 값은 가로로 두 픽셀당 하나씩 공유됩니다.
YUV 420
-
Y, Cb, Cr이 4:1:1 비율로 저장됩니다.
-
Cb와 Cr 값은 2x2 블록의 픽셀에서 공유됩니다 (가로로 네 픽셀이 아님에 주의!).
저장 순서
-
데이터는 Y 성분 → Cb 성분 → Cr 성분 순으로 저장됩니다.
-
RAW나 BMP처럼 픽셀별로 저장하지 않고, Y 성분을 모두 저장한 후, Cb와 Cr 성분을 차례로 저장합니다.
YUV 압축의 장점
Cb와 Cr 픽셀 수를 줄이면서도 사람이 느끼는 품질을 유지할 수 있기 때문에 YUV 포맷은 파일 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 뷰어 프로그램의 차이로 인해 약간의 차이가 보일 수 있으나, 인간의 시각적 특성 때문에 결과 영상의 품질은 동일하게 느껴집니다.
YUV 컬러 공간과 YUV 422, 420과 같은 저장 형식은 비디오 압축 및 전송에 널리 사용됩니다. YUV 변환 및 저장 원리를 이해하면, 품질 저하 없이 파일 크기를 효과적으로 줄이는 방법을 더 잘 이해할 수 있습니다. 아래 결과를 보면 압축이 되는 것을 볼 수 있습니다.
아래 C 코드를 공유하면서 오늘 포스팅 마치겠습니다.
RAW TO YUV
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define VER 256 // 이미지 수직 사이즈 상수 VER 정의
#define HOR 256 // 이미지 수평 사이즈 상수 HER 정의
void raw_to_YUV422(unsigned char input[][HOR * 3], unsigned char output[][HOR / 2], FILE* fout); // RGB 이미지를 YUV422형식으로 변환하는 함수
void raw_to_YUV420(unsigned char input[][HOR * 3], unsigned char output[][HOR / 2], FILE* fout); // RGB 이미지를 YUV420형식으로 변환하는 함수
int main() {
unsigned char(*input)[HOR * 3] = (unsigned char(*)[HOR * 3])malloc(VER * HOR * 3 * sizeof(unsigned char)); // RGB 이미지 데이터를 저장하기 위한 메모리 할당
unsigned char(*outputUV)[HOR / 2] = (unsigned char(*)[HOR / 2])malloc(VER * HOR / 2 * sizeof(unsigned char)); // YUV 변환을 위한 U, V 컴포넌트를 저장할 메모리 할당
if (!input || !outputUV) { // 메모리 할당이 제대로 되었는지 확인
perror("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
FILE* fin, * fout422, * fout420; // 파일 포인터 선언
fin = fopen("Lena_Color.raw", "rb"); // 입력 RGB 파일 열기
if (!fin) { // 파일 열기에 실패했는지 확인
perror("Unable to open input file\n");
return 1;
}
fread(input[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR * 3, fin); // 입력 파일로부터 RGB 데이터 읽기
fclose(fin);
fout422 = fopen("Lena_Color422.yuv", "wb"); // YUV 4:2:2 출력 파일 열기
if (!fout422) { // 파일 열기에 실패했는지 확인
perror("Unable to open output file for YUV 4:2:2\n");
return 1;
}
raw_to_YUV422(input, outputUV, fout422); // RGB를 YUV 4:2:2로 변환하여 파일에 쓰기
fclose(fout422);
fout420 = fopen("Lena_Color420.yuv", "wb"); // YUV 4:2:0 출력 파일 열기
if (!fout420) {
perror("Unable to open output file for YUV 4:2:0\n");
return 1;
}
raw_to_YUV420(input, outputUV, fout420); // RGB를 YUV 4:2:0로 변환하여 파일에 쓰기
fclose(fout420);
// 할당된 메모리 해제
free(input);
free(outputUV);
return 0;
}
void raw_to_YUV422(unsigned char input[][HOR * 3], unsigned char outputUV[][HOR / 2], FILE* fout) { // RGB를 YUV 4:2:2 형식으로 변환하는 함수
unsigned char Y, U, V; // Y, U, V 컴포넌트를 저장할 변수 선언
// Y 값 쓰기
for (int j = 0; j < VER; j++) {
for (int i = 0; i < HOR * 3; i += 3) {
// RGB를 Y 컴포넌트로 변환하고 파일에 쓰기
Y = (unsigned char)(0.257 * input[j][i] + 0.504 * input[j][i + 1] + 0.098 * input[j][i + 2] + 16);
fwrite(&Y, sizeof(unsigned char), 1, fout);
}
}
// U와 V 값 쓰기 (수평으로 2:1로 서브샘플링)
for (int j = 0; j < VER; j++) {
for (int i = 0; i < HOR * 3; i += 6) {
// RGB를 U 컴포넌트로 변환하고 파일에 쓰기
U = (unsigned char)(-0.148 * (input[j][i] + input[j][i + 3]) / 2 - 0.291 * (input[j][i + 1] + input[j][i + 4]) / 2 + 0.439 * (input[j][i + 2] + input[j][i + 5]) / 2 + 128);
// RGB를 V 컴포넌트로 변환하고 나중에 쓰기 위해 저장
V = (unsigned char)(0.439 * (input[j][i] + input[j][i + 3]) / 2 - 0.368 * (input[j][i + 1] + input[j][i + 4]) / 2 - 0.071 * (input[j][i + 2] + input[j][i + 5]) / 2 + 128);
fwrite(&U, sizeof(unsigned char), 1, fout);
outputUV[j][i / 6] = V;
}
}
// V 값 쓰기
for (int j = 0; j < VER; j++) {
fwrite(outputUV[j], sizeof(unsigned char), HOR / 2, fout);
}
}
void raw_to_YUV420(unsigned char input[][HOR * 3], unsigned char outputUV[][HOR / 2], FILE* fout) { // RGB를 YUV 4:2:0 형식으로 변환하는 함수
unsigned char Y, U, V; // Y, U, V 컴포넌트를 저장할 변수 선언
// Y 값 쓰기
for (int j = 0; j < VER; j++) {
for (int i = 0; i < HOR * 3; i += 3) {
Y = (unsigned char)(0.257 * input[j][i] + 0.504 * input[j][i + 1] + 0.098 * input[j][i + 2] + 16);
fwrite(&Y, sizeof(unsigned char), 1, fout);
}
}
// U와 V 값 쓰기 (수평 및 수직으로 2:1로 서브샘플링)
for (int j = 0; j < VER; j += 2) {
for (int i = 0; i < HOR * 3; i += 6) {
// RGB를 U 컴포넌트로 변환하고 파일에 쓰기
U = (unsigned char)(-0.148 * (input[j][i] + input[j][i + 3] + input[j + 1][i] + input[j + 1][i + 3]) / 4 - 0.291 * (input[j][i + 1] + input[j][i + 4] + input[j + 1][i + 1] + input[j + 1][i + 4]) / 4 + 0.439 * (input[j][i + 2] + input[j][i + 5] + input[j + 1][i + 2] + input[j + 1][i + 5]) / 4 + 128);
// RGB를 V 컴포넌트로 변환하고 나중에 쓰기 위해 저장
V = (unsigned char)(0.439 * (input[j][i] + input[j][i + 3] + input[j + 1][i] + input[j + 1][i + 3]) / 4 - 0.368 * (input[j][i + 1] + input[j][i + 4] + input[j + 1][i + 1] + input[j + 1][i + 4]) / 4 - 0.071 * (input[j][i + 2] + input[j][i + 5] + input[j + 1][i + 2] + input[j + 1][i + 5]) / 4 + 128);
fwrite(&U, sizeof(unsigned char), 1, fout);
outputUV[j / 2][i / 6] = V; // Save V to write after U
}
}
// V 값 쓰기
for (int j = 0; j < VER / 2; j++) {
fwrite(outputUV[j], sizeof(unsigned char), HOR / 2, fout);
}
}
YUV TO RAW
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define VER 256 // 이미지 수직 사이즈 상수 VER 정의
#define HOR 256 // 이미지 수평 사이즈 상수 HOR 정의
void YUV_to_RGB(int Y, int U, int V, unsigned char* R, unsigned char* G, unsigned char* B);
void YUV422_to_raw(unsigned char inputY[][HOR], unsigned char inputU[][HOR / 2], unsigned char inputV[][HOR / 2], unsigned char output[][HOR * 3]);
void YUV420_to_raw(unsigned char inputY[][HOR], unsigned char inputU[][HOR / 2], unsigned char inputV[][HOR / 2], unsigned char output[][HOR * 3]);
int main() {
unsigned char(*inputY)[HOR] = (unsigned char(*)[HOR])malloc(VER * HOR * sizeof(unsigned char)); // Y배열에 대한 메모리 할당
unsigned char(*inputU)[HOR / 2] = (unsigned char(*)[HOR / 2])malloc(VER / 2 * HOR / 2 * sizeof(unsigned char)); // 420 U 배열에 대한 메모리 할당
unsigned char(*inputV)[HOR / 2] = (unsigned char(*)[HOR / 2])malloc(VER / 2 * HOR / 2 * sizeof(unsigned char)); // 420 V 배열에 대한 메모리 할당
unsigned char(*inputU2)[HOR / 2] = (unsigned char(*)[HOR / 2])malloc(VER * HOR / 2 * sizeof(unsigned char)); // 422 U 배열에 대한 메모리 할당
unsigned char(*inputV2)[HOR / 2] = (unsigned char(*)[HOR / 2])malloc(VER * HOR / 2 * sizeof(unsigned char)); // 422 V 배열에 대한 메모리 할당
unsigned char(*output)[HOR * 3] = (unsigned char(*)[HOR * 3])malloc(VER * HOR * 3 * sizeof(unsigned char)); // 출력 배열에 대한 메모리 할당
if (!inputY || !inputU || !inputV || !output) {
perror("Memory allocation failed\n");
return 1;
}
// YUV422 파일 읽기
FILE* fin422 = fopen("YUV422_Lena_Color.yuv", "rb"); //YUV422_Lena_Color.yuv 입력 파일 포인터 선언, 읽기 모드
if (!fin422) {
perror("Unable to open input YUV422 file\n");
return 1;
}
fread(inputY[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR, fin422); // 422 Y값 읽기
fread(inputU2[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR / 2, fin422); // 422 U값 읽기
fread(inputV2[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR / 2, fin422); // 422 V값 읽기
fclose(fin422);
FILE* fout = fopen("Lena_Color_From_YUV422.raw", "wb"); // YUV422_Lena_Color.yuv 출력 파일 포인터 선언, 쓰기 모드
if (!fout) {
perror("Unable to open output raw file from YUV422\n");
return 1;
}
YUV422_to_raw(inputY, inputU2, inputV2, output); // YUV422 TO RAW 함수
fwrite(output[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR * 3, fout); // 파일 쓰기
fclose(fout);
// YUV420 파일 읽기
FILE* fin420 = fopen("YUV420_Lena_Color.yuv", "rb"); //YUV420_Lena_Color.yuv 입력 파일 포인터 선언, 읽기 모드
if (!fin420) {
perror("Unable to open input YUV420 file\n");
return 1;
}
fread(inputY[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR, fin420); // 420 Y값 읽기
fread(inputU[0], sizeof(unsigned char), VER / 2 * HOR / 2, fin420); // 420 U값 읽기
fread(inputV[0], sizeof(unsigned char), VER / 2 * HOR / 2, fin420); // 420 V값 읽기
fclose(fin420);
fout = fopen("Lena_Color_From_YUV420.raw", "wb"); // YUV420_Lena_Color.yuv 출력 파일 포인터 선언, 쓰기 모드
if (!fout) {
perror("Unable to open output raw file from YUV420\n");
return 1;
}
YUV420_to_raw(inputY, inputU, inputV, output); //YUV TO RAW 변환 함수
fwrite(output[0], sizeof(unsigned char), VER * HOR * 3, fout); // 파일 쓰기
fclose(fout);
free(inputY);
free(inputU);
free(inputV);
free(output);
return 0;
}
void YUV_to_RGB(int Y, int U, int V, unsigned char* R, unsigned char* G, unsigned char* B) { // YUV to RGB 공식
int R_temp = (int)(1.164 * (Y - 16) + 1.596 * (V - 128));
int G_temp = (int)(1.164 * (Y - 16) - 0.813 * (V - 128) - 0.392 * (U - 128));
int B_temp = (int)(1.164 * (Y - 16) + 2.017 * (U - 128));
// 클램핑 적용
*R = (unsigned char)(R_temp < 0 ? 0 : R_temp > 255 ? 255 : R_temp);
*G = (unsigned char)(G_temp < 0 ? 0 : G_temp > 255 ? 255 : G_temp);
*B = (unsigned char)(B_temp < 0 ? 0 : B_temp > 255 ? 255 : B_temp);
}
void YUV422_to_raw(unsigned char inputY[][HOR], unsigned char inputU[][HOR / 2], unsigned char inputV[][HOR / 2], unsigned char output[][HOR * 3]) {
for (int j = 0; j < VER; j++) {
for (int i = 0; i < HOR; i += 2) {
int Y1 = inputY[j][i];
int Y2 = inputY[j][i + 1];
int U = inputU[j][i / 2];
int V = inputV[j][i / 2];
unsigned char R, G, B;
YUV_to_RGB(Y1, U, V, &R, &G, &B);
output[j][i * 3] = R;
output[j][i * 3 + 1] = G;
output[j][i * 3 + 2] = B;
YUV_to_RGB(Y2, U, V, &R, &G, &B);
output[j][(i + 1) * 3] = R;
output[j][(i + 1) * 3 + 1] = G;
output[j][(i + 1) * 3 + 2] = B;
}
}
}
void YUV420_to_raw(unsigned char inputY[][HOR], unsigned char inputU[][HOR / 2], unsigned char inputV[][HOR / 2], unsigned char output[][HOR * 3]) {
for (int j = 0; j < VER; j += 2) {
for (int i = 0; i < HOR; i += 2) {
int U = inputU[j / 2][i / 2];
int V = inputV[j / 2][i / 2];
for (int y = 0; y < 2; ++y) {
for (int x = 0; x < 2; ++x) {
int Y = inputY[j + y][i + x];
unsigned char R, G, B;
YUV_to_RGB(Y, U, V, &R, &G, &B);
output[j + y][(i + x) * 3] = R;
output[j + y][(i + x) * 3 + 1] = G;
output[j + y][(i + x) * 3 + 2] = B;
}
}
}
}
}
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