C# - 用于 Windows 窗体应用程序的位图的 SetPixel 和 GetPixel 的更快替代方案

Question

我正在尝试自学 C#，并且从各种来源听说函数 get 和 setpixel 可能非常慢。有哪些替代方案，性能改进真的那么显着吗？提前致谢！

我的一段代码供参考：

public static Bitmap Paint(Bitmap _b, Color f)
{
  Bitmap b = new Bitmap(_b);
  for (int x = 0; x < b.Width; x++) 
  {
    for (int y = 0; y < b.Height; y++) 
    {
      Color c = b.GetPixel(x, y);
      b.SetPixel(x, y, Color.FromArgb(c.A, f.R, f.G, f.B));
    }
  }
  return b;
}

Answer 1

已经有一段时间了，但我找到了一个可能有用的例子。

  BitmapData BtmpDt = a.LockBits(new Rectangle(0, 0, btm.Width, btm.Height), ImageLockMode.ReadWrite, btm.PixelFormat);
  IntPtr pointer = BtmDt.Scan0;
  int size = Math.Abs(BtmDt.Stride) * btm.Height;
  byte[] pixels = new byte[size];
  Marshal.Copy(pointer, pixels, 0, size);
  for (int b = 0; b < pixels.Length; b++) 
  {
    pixels[b] = 255; //Do something here 
  }
  Marshal.Copy(pixels, 0, pointer, size);
  btm.UnlockBits(BtmDt);

其中 btm 是位图变量。

Answer 2

立即可用的代码

public class DirectBitmap : IDisposable
{
    public Bitmap Bitmap { get; private set; }
    public Int32[] Bits { get; private set; }
    public bool Disposed { get; private set; }
    public int Height { get; private set; }
    public int Width { get; private set; }

    protected GCHandle BitsHandle { get; private set; }

    public DirectBitmap(int width, int height)
    {
        Width = width;
        Height = height;
        Bits = new Int32[width * height];
        BitsHandle = GCHandle.Alloc(Bits, GCHandleType.Pinned);
        Bitmap = new Bitmap(width, height, width * 4, PixelFormat.Format32bppPArgb, BitsHandle.AddrOfPinnedObject());
    }

    public void SetPixel(int x, int y, Color colour)
    {
        int index = x + (y * Width);
        int col = colour.ToArgb();

        Bits[index] = col;
    }

    public Color GetPixel(int x, int y)
    {
        int index = x + (y * Width);
        int col = Bits[index];
        Color result = Color.FromArgb(col);

        return result;
    }

    public void Dispose()
    {
        if (Disposed) return;
        Disposed = true;
        Bitmap.Dispose();
        BitsHandle.Free();
    }
}

不需要LockBits 或SetPixel。使用上述类直接访问位图数据。

使用这个类，可以将原始位图数据设置为 32 位数据。请注意，它是 PARGB，它是预乘 alpha。请参阅Alpha Compositing on Wikipedia 了解有关其工作原理的更多信息，并参阅examples on the MSDN article for BLENDFUNCTION 了解如何正确计算 alpha。

如果预乘可能会使事情变得过于复杂，请改用PixelFormat.Format32bppArgb。绘制时会发生性能损失，因为它在内部被转换为PixelFormat.Format32bppPArgb。如果图像在绘制之前不必更改，则可以在预乘之前完成工作，绘制到PixelFormat.Format32bppArgb 缓冲区，然后从那里进一步使用。

通过Bitmap 属性公开对标准Bitmap 成员的访问。使用Bits 属性直接访问位图数据。

对原始像素数据使用byte 而不是int

将Int32 的两个实例更改为byte，然后更改此行：

Bits = new Int32[width * height];

到这里：

Bits = new byte[width * height * 4];

当使用字节时，格式按顺序为 Alpha/Red/Green/Blue。每个像素需要 4 个字节的数据，每个通道一个。 GetPixel 和 SetPixel 函数将需要相应地重新设计或删除。

使用上述类的好处

• 仅用于操作数据的内存分配是不必要的；对原始数据所做的更改会立即应用于位图。
• 没有其他需要管理的对象。这实现了IDisposable，就像Bitmap。
• 它不需要unsafe 块。

注意事项

• 无法移动固定内存。为了使这种内存访问起作用，这是必需的副作用。这会降低垃圾收集器 (MSDN Article) 的效率。仅对需要性能的位图执行此操作，并确保在完成后Dispose 以取消固定内存。

通过Graphics 对象访问

因为Bitmap 属性实际上是一个.NET Bitmap 对象，所以使用Graphics 类执行操作很简单。

var dbm = new DirectBitmap(200, 200);
using (var g = Graphics.FromImage(dbm.Bitmap))
{
    g.DrawRectangle(Pens.Black, new Rectangle(50, 50, 100, 100));
}

性能对比

这个问题是关于性能的，所以这里有一个表格，应该显示答案中提出的三种不同方法之间的相对性能。这是使用基于 .NET Standard 2 的应用程序和 NUnit 完成的。

* Time to fill the entire bitmap with red pixels *
- Not including the time to create and dispose the bitmap
- Best out of 100 runs taken
- Lower is better
- Time is measured in Stopwatch ticks to emphasize magnitude rather than actual time elapsed
- Tests were performed on an Intel Core i7-4790 based workstation

              Bitmap size
Method        4x4   16x16   64x64   256x256   1024x1024   4096x4096
DirectBitmap  <1    2       28      668       8219        178639
LockBits      2     3       33      670       9612        197115
SetPixel      45    371     5920    97477     1563171     25811013

* Test details *

- LockBits test: Bitmap.LockBits is only called once and the benchmark
                 includes Bitmap.UnlockBits. It is expected that this
                 is the absolute best case, adding more lock/unlock calls
                 will increase the time required to complete the operation.

Answer 3

您可以使用 Bitmap.LockBits 方法。此外，如果您想使用并行任务执行，可以使用 System.Threading.Tasks 命名空间中的 Parallel 类。以下链接有一些示例和说明。

• http://csharpexamples.com/fast-image-processing-c/
• http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd460713%28v=vs.110%29.aspx
• http://msdn.microsoft.com/tr-tr/library/system.drawing.imaging.bitmapdata%28v=vs.110%29.aspx

Answer 4

位图操作在 C# 中如此缓慢的原因是锁定和解锁。每个操作都会对所需的位执行锁定，操作这些位，然后解锁这些位。

您可以通过自己处理操作来大大提高速度。请参阅以下示例。

using (var tile = new Bitmap(tilePart.Width, tilePart.Height))
{
  try
  {
      BitmapData srcData = sourceImage.LockBits(tilePart, ImageLockMode.ReadOnly, PixelFormat.Format32bppArgb);
      BitmapData dstData = tile.LockBits(new Rectangle(0, 0, tile.Width, tile.Height), ImageLockMode.ReadWrite, PixelFormat.Format32bppArgb);

      unsafe
      {
          byte* dstPointer = (byte*)dstData.Scan0;
          byte* srcPointer = (byte*)srcData.Scan0;

          for (int i = 0; i < tilePart.Height; i++)
          {
              for (int j = 0; j < tilePart.Width; j++)
              {
                  dstPointer[0] = srcPointer[0]; // Blue
                  dstPointer[1] = srcPointer[1]; // Green
                  dstPointer[2] = srcPointer[2]; // Red
                  dstPointer[3] = srcPointer[3]; // Alpha

                  srcPointer += BytesPerPixel;
                  dstPointer += BytesPerPixel;
              }
              srcPointer += srcStrideOffset + srcTileOffset;
              dstPointer += dstStrideOffset;
          }
      }

      tile.UnlockBits(dstData);
      aSourceImage.UnlockBits(srcData);

      tile.Save(path);
  }
  catch (InvalidOperationException e)
  {

  }
}