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C#进行图像处理的几种方法
本文讨论了C#图像处理中Bitmap类、BitmapData类和unsafe代码的使用以及字节对齐问题。
Bitmap类
命名空间:System.Drawing
封装 GDI+ 位图，此位图由图形图像及其属性的像素数据组成。Bitmap 是用于处理由像素数据定义的图像的对象。
利用C#类进行图像处理,最方便的是使用Bitmap类，使用该类的GetPixel()与SetPixel()来访问图像的每个像素点。下面是MSDN中的示例代码：
public void GetPixel_Example(PaintEventArgs e)
{
// Create a Bitmap object from an image file.
Bitmap myBitmap = new Bitmap("Grapes.jpg");
// Get the color of a pixel within myBitmap.
Color pixelColor = myBitmap.GetPixel(50, 50);
// Fill a rectangle with pixelColor.
SolidBrush pixelBrush = new SolidBrush(pixelColor);
e.Graphics.FillRectangle(pixelBrush, 0, 0, 100, 100);
}
可见，Bitmap类使用一种优雅的方式来操作图像，但是带来的性能的降低却是不可忽略的。比如对一个800*600的彩色图像灰度化，其耗费的时间都要以秒为单位来计算。在实际项目中进行图像处理，这种速度是决对不可忍受的。
BitmapData类
命名空间:System.Drawing.Imaging
指定位图图像的属性。BitmapData 类由 Bitmap 类的 LockBits 和 UnlockBits 方法使用。不可继承。
好在我们还有BitmapData类，通过BitmapData BitmapData LockBits ( )可将 Bitmap 锁定到系统内存中。该类的公共属性有：
- Width 获取或设置 Bitmap 对象的像素宽度。这也可以看作是一个扫描行中的像素数。
- Height 获取或设置 Bitmap 对象的像素高度。有时也称作扫描行数。
- PixelFormat
获取或设置返回此 BitmapData 对象的 Bitmap 对象中像素信息的格式。 - Scan0 获取或设置位图中第一个像素数据的地址。它也可以看成是位图中的第一个扫描行。
- Stride 获取或设置 Bitmap 对象的跨距宽度（也称为扫描宽度）。
下面的MSDN中的示例代码演示了如何使用 PixelFormat、Height、Width 和 Scan0 属性；LockBits 和 UnlockBits 方法；以及 ImageLockMode 枚举。
private void LockUnlockBitsExample(PaintEventArgs e)
{
// Create a new bitmap.
Bitmap bmp = new Bitmap("c:\\fakePhoto.jpg");
// Lock the bitmap‘s bits.
Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height);
System.Drawing.Imaging.BitmapData bmpData =
bmp.LockBits(rect, System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite,
bmp.PixelFormat);
// Get the address of the first line.
IntPtr ptr = bmpData.Scan0;
// Declare an array to hold the bytes of the bitmap.
int bytes = bmpData.Stride * bmp.Height;
byte[] rgbValues = new byte[bytes];
// Copy the RGB values into the array.
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0, bytes);
// Set every red value to 255.
for (int counter = 0; counter < rgbValues.Length; counter+=3)
rgbValues[counter] = 255;
// Copy the RGB values back to the bitmap
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(rgbValues, 0, ptr, bytes);
// Unlock the bits.
bmp.UnlockBits(bmpData);
// Draw the modified image.
e.Graphics.DrawImage(bmp, 0, 150);
}
上面的代码演示了如何用数组的方式来访问一幅图像，而不在使用低效的GetPixel()和SetPixel()。
unsafe代码
而在实际中上面的做法仍然不能满足我们的要求，图像处理是一种运算量比较大的操作，不同于我们写的一般的应用程序。我们需要的是一种性能可以同C++程序相媲美的图像处理程序。C++是怎么提高效率的呢，答曰：指针。幸运的是.Net也允许我们使用指针，只能在非安全代码块中使用指针。何谓非安全代码？
为了保持类型安全，默认情况下，C# 不支持指针运算。不过，通过使用 unsafe 关键字，可以定义可使用指针的不安全上下文。在公共语言运行库 (CLR) 中，不安全代码是指无法验证的代码。C# 中的不安全代码不一定是危险的，只是其安全性无法由 CLR 进行验证的代码。因此，CLR 只对在完全受信任的程序集中的不安全代码执行操作。如果使用不安全代码，由您负责确保您的代码不会引起安全风险或指针错误。不安全代码具有下列属性：
- 方法、类型和可被定义为不安全的代码块。
- 在某些情况下，通过移除数组界限检查，不安全代码可提高应用程序的性能。
- 当调用需要指针的本机函数时，需要使用不安全代码。
- 使用不安全代码将引起安全风险和稳定性风险。
- 在 C# 中，为了编译不安全代码，必须用 /unsafe 编译应用程序。
正如《C#语言规范》中所说无论从开发人员还是从用户角度来看，不安全代码事实上都是一种“安全”功能。不安全代码必须用修饰符 unsafe 明确地标记，这样开发人员就不会误用不安全功能，而执行引擎将确保不会在不受信任的环境中执行不安全代码。
以下代码演示如何借助BitmapData类采用指针的方式来遍历一幅图像，这里的unsafe代码块中的代码就是非安全代码。
//创建图像
Bitmap image = new Bitmap( "c:\\images\\image.gif" );
//获取图像的BitmapData对像
BitmapData data = image.LockBits( new Rectangle( 0 , 0 , image.Width , image.Height ) , ImageLockMode.ReadWrite , PixelFormat.Format24bppRgb );
//循环处理
unsafe
{
byte* ptr = ( byte* )( data.Scan0 );
for( int i = 0 ; i < data.Height ; i ++ )
{
for( int j = 0 ; j < data.Width ; j ++ )
{
// write the logic implementation here
ptr += 3;
}
ptr += data.Stride - data.Width * 3;
}
}
毫无疑问，采用这种方式是最快的，所以在实际工程中都是采用指针的方式来访问图像像素的。
字节对齐问题
上例中ptr += data.Stride - data.Width * 3，表示跨过无用的区域，其原因是图像数据在内存中存储时是按4字节对齐的，具体解释如下：
假设有一张图片宽度为6，假设是Format24bppRgb格式的(每像素3字节，在以下的讨论中，除非特别说明，否则Bitmap都被认为是24位RGB)。显然，每一行需要6*3=18个字节存储。对于Bitmap就是如此。但对于BitmapData，虽然data.Width还是等于image.Width，但大概是出于显示性能的考虑，每行的实际的字节数将变成大于等于它的那个离它最近的4的整倍数，此时的实际字节数就是Stride。就此例而言，18不是4的整倍数，而比18大的离18最近的4的倍数是20，所以这个data.Stride = 20。显然，当宽度本身就是4的倍数时，data.Stride = image.Width * 3。
画个图可能更好理解。R、G、B 分别代表3个原色分量字节，BGR就表示一个像素。为了看起来方便我在们每个像素之间插了个空格，实际上是没有的。X表示补足4的倍数而自动插入的字节。为了符合人类的阅读习惯我分行了，其实在计算机内存中应该看成连续的一大段。
｜－－－－－－－Ｓｔｒｉｄｅ－－－－－－－－－－－｜
｜－－－－－－－Ｗｉｄｔｈ－－－－－－－－－|
Scan0：
ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＸＸ
ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＸＸ
ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＢＧＲ ＸＸ
.
.
.
首先用data.Scan0找到第0个像素的第0个分量的地址，这个地址指向的是个byte类型，所以当时定义为byte* ptr。行扫描时，在当前指针位置（不妨看成当前像素的第0个颜色分量）连续取出三个值（3个原色分量。注意，0 1 2代表的次序是B G R。在取指针指向的值时，貌似p[n]和p += n再取p[0]是等价的），然后下移3个位置（ptr += 3，看成指到下一个像素的第0个颜色分量）。做过Bitmap.Width次操作后，就到达了Bitmap.Width * 3的位置，应该要跳过图中标记为X的字节了（共有Stride - Width * 3个字节），代码中就是 ptr += dataIn.Stride - dataIn.Width * 3。
通过阅读本文，相信你已经对使用C#进行图像处理可能用到的几种方法有了一个了解。至于采用哪种方式，取决于你的性能要求。其中第一种方式最优雅；第三种方式最快，但不是安全代码；第二种方式取了个折中，保证是安全代码的同时又提高了效率。熟悉C/C++编程的人可能会比较偏向于第三种方式，我个人也比较喜欢第三种方式。