C# 进行图像处理的几种方法（Bitmap,BitmapData,IntPtr）

在c#中，进行图像处理时主要会使用到 system.drawing 命名空间中的几个关键类，其中bitmap、bitmapdata和intptr是进行高效像素操作的重要工具。以下是如何利用这些类进行图像处理的方法概述：

1. bitmap 类:

   • system.drawing.bitmap 是一个封装了位图数据的类，它允许你加载、保存、显示和操作图像文件或内存中的位图资源。
     • 使用 new bitmap(width, height, pixelformat) 创建一个新的空白位图。
     • 通过 bitmap.fromfile(path) 或 bitmap.fromstream(stream) 加载图片文件。
     • 提供 getpixel(x, y) 和 setpixel(x, y, color) 方法用于获取和设置单个像素的颜色，但请注意，这种方法对于大规模图像处理效率较低。

2. bitmapdata 类:

   • bitmapdata 代表了一个锁定的bitmap对象的像素数据缓冲区，可以直接对像素进行读写操作以提高性能。
     • 使用 bitmap.lockbits(rectangle area, imagelockmode mode, pixelformat format, out bitmapdata data) 方法可以锁定bitmap的部分或全部区域，从而获得指向该区域像素数据的指针。
     • data.scan0 属性是一个intptr类型，指向第一个像素的数据地址。
     • 解锁位图数据需要调用 bitmap.unlockbits(bitmapdata) 来释放资源并确保图形设备正确更新。

3. intptr 类型与 marshal 类:

   • intptr 是一个表示非托管指针（即内存地址）的数据类型。
   • 在处理bitmapdata时，通常会将scan0属性所指向的内存块直接映射到托管代码中，以便于进行快速的像素操作。
     • 使用 system.runtime.interopservices.marshal.copy(intptr source, byte[] destination, int startindex, int length) 将未托管的内存块内容复制到托管数组中，这样可以在c#中更方便地进行像素遍历和修改。
     • 修改完成后，可以通过类似方法将修改后的数组内容复制回bitmapdata所指向的内存区域。

综合以上，一个高效的图像处理流程可能是这样的：

• 创建或加载bitmap对象。
• 锁定bitmap的像素数据，得到bitmapdata。
• 使用marshal.copy将bitmapdata的像素数据复制到本地数组中。
• 对数组进行所需的图像处理操作（如：调整亮度、对比度、滤镜等）。
• 再次使用marshal.copy将处理过的数组数据复制回bitmapdata的内存中。
• 解锁bitmapdata，使得gdi+能够自动更新对应的bitmap图像。

这种方式避免了频繁调用getpixel和setpixel函数带来的性能瓶颈，实现了更快的图像处理速度。

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);  
}  

或

bitmap bitmap = new bitmap("image.jpg");
bitmapdata bitmapdata = bitmap.lockbits(new rectangle(0, 0, bitmap.width, bitmap.height), imagelockmode.readwrite, pixelformat.format32bppargb);
// 对 bitmapdata 进行图像处理操作
bitmap.unlockbits(bitmapdata);

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()。

intptr

使用 intptr 可以直接操作图像的内存数据。

通过获取图像的句柄（intptr），可以使用指针操作来访问和修改图像的像素值。

这种方法需要更高级的编程技能和对内存管理的了解。

bitmap bitmap = new bitmap("image.jpg");
intptr ptr = bitmap.lockbits(new rectangle(0, 0, bitmap.width, bitmap.height), imagelockmode.readwrite, pixelformat.format32bppargb);
// 使用 intptr 进行图像处理操作
bitmap.unlockbits(ptr);

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。

参考 http://blog.sina.com.cn/s/blog_628821950100wh9w.html

通义千问、文心一言、豆包