GDI+中常见的几个问题(4)

5.读图是快了，处理怎么还是慢？

GDI+的Bitmap类提供了两个罪恶的函数GetPixel, SetPixel，用来获取某个像素点的颜色值。这个2个函数如果只调用一次两次也就罢了，万一我想把整张图片加红一点，用下面的代码，我估计你等到黄花菜都凉了，还没有算完呢。 看看下面的代码是怎么写的。 

 1 FileStream fs = new FileStream(image, FileMode.Open, FileAccess.Read);
 2 Image img = Image.FromStream(fs, false, false);
 3 Bitmap bmp = new Bitmap(img);
 4 img.Dispose();
 5 fs.Close();
 6 
 7 for (int j = 0; j < bmp.Height; j++)
 8 {
 9      for (int i = 0; i < bmp.Width; i++)
      {
           Color color = bmp.GetPixel(i, j);
           color = Color.FromArgb(color.R + 20, color.G, color.B);
           bmp.SetPixel(i, j, color);
      }
 } 

 

代码逻辑很清楚，第1到第5行，写得很好，用了我们在前几节里面的方法，读图速度飞快且不锁文件。当然如果不用覆盖原始文件，不用复制都可以，速度就更快了。接下来我们对图像做一个循环，一行一行更新图像的数据。殊不知GetPixel和SetPixel是GDI里面耗费最大的函数之一，此外bmp.Height和bmp.Width也是慢得够呛，如果处理一张500M像素的照片，您可以去喝杯茶，睡一觉再回来了。

Bitmap有个方法叫LockBits,就是把图像的内存区域根据格式锁定，拿到那块内存的首地址。这样就可以直接改写这段内存了。这个方法的设计是挺好，可惜都是C++作为源泉来的，.NET Framework里面根本就不推荐用指针，VB里面根本也就没有指针。最后设计了一个鸡肋的IntPtr,将就掉了这个问题。C#其实还好，可以用unsafe code,也算是间接用了指针，VB.NET就痛苦了，需要用Marshal.Copy把内容Copy到一个byte数组里面，然后处理完了再Copy回去。所以结论就是，要用GDI+做图像处理，最好别用VB.NET,否则内存翻倍。

让我们来看看快速的写法，注意在编译的时候加上unsafe开关，允许C#使用指针：

 1 FileStream fs = new FileStream(image, FileMode.Open, FileAccess.Read);
 2 Image img = Image.FromStream(fs, false, false);
 3 Bitmap bmp = new Bitmap(img);
 4 img.Dispose();
 5 fs.Close();
 6 
 7 int width = bmp.Width;
 8 int height = bmp.Height;
 9 BitmapData bmData = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, width, height), ImageLockMode.ReadWrite, PixelFormat.Format24bppRgb);
 byte* p = (byte*)bmData.Scan0;
 int offset = bmData.Stride - width * 3; //only correct when PixelFormat is Format24bppRgb
  
 for (int j = 0; j < height; j++)
 {
      for (int i = 0; i < width; i++)
      {
           p[2] += 20; //should check boundary
           p += 3;
      }
      p += offset;
 }
  
 bmp.UnlockBits(bmData);
 bmp.Dispose();

1-5行一样的，不多说了。第7，8行保存一个临时变量，不要每次都调用，bmp.Width, bmp.Height。

第9行是把图像内容锁定到系统内存。这个函数有2个重载，第二种比较复杂，是把用户内存中的内容锁定。这个以后再说。第一种，也就是我们现在使用的这种，是把图像的内容根据一定的格式放到内存里面，这里我们使用的是Format24bppRgb,也就是24位色。在这种格式下3个字节表示一种颜色，也就是我们通常所知道的R,G,B， 所以每个字节表示颜色的一个分量。

第10行用了一个指针，指向这段内存的首地址。 这样我们可以直接来修改图像的内存信息。因为每个颜色分量都是一个字节，所以用byte的指针，如果是Format48bppRgb，每个分量用2个字节，那就该用Short指针了。

第11行需要多说两句，Stride是指图像每一行需要占用的字节数。根据BMP格式的标准，Stride一定要是4的倍数。据个例子，一幅1024*768的24bppRgb的图像，每行有效的像素信息应该是1024*3 = 3072。因为已经是4的倍数，所以Stride就是3072。那么如果这幅图像是35*30，那么一行的有效像素信息是105，但是105不是4的倍数，所以填充空字节，Stride应该是108。这一行计算出来的offset就是3。这里再留个问题，如果是16色图，也就是4位色，一幅50*50的图像，Stride又应该是多少呢？

第13-21行就是循环的处理。其中第17行需要注意以下。这句话其实是错的，因为p是byte,没有符号，最大值是255， 加20可能会溢出。如果你不希望它溢出，那么可以改成行1，如果希望溢出就是最大值，那么可以用行2。

 p[2] = checked((byte)(p[2] + 20));
 p[2] = (byte)Math.Min(byte.MaxValue, p[2] + 20);

大多处情况下，图像处理用的都是行2的做法，但是这样的话性能损失还是比较厉害的，需要计算一个最大值，还有一个类型的转换，我还在研究有什么更快的办法。还有一点，BMP图像里面用的是小数端的存储方式(Little Endian),所以实际存储的图像顺序是G,B,R,这里要把图像的红色分量增加一些，改变的是第三个字节而不是第一个。

最后两行就不说了，处理完毕需要Unlock,bitmap必须被dispose掉。

用以上代码进行图像处理的速度已经飞快了，最慢的部分就是调用那个LockBits的函数，这个速度基本上跟GDI是差不多的。但是如果你还是觉得慢，那还有以下2种办法可以提高性能，不过它已经远远超过GDI+的范畴了。

1.别用GDI+的方法读图像，自己把图像文件读出来。如果是BMP倒是好办，要是用JPG,TIF,PNG,GIF....如果你足够牛，可以随手写个FFT或者DCT，那我倒是建议可以自己写写看，把JPG解压缩出来，自己修改修改再压缩回去。要是PNG/GIF/GIF 98，就是那个会动的GIF,我就无语了。GIF的标准是公开的，不过时人家的专利，你写了是要付钱的。所以，还是算了吧。自己读BMP可以非常快地把图像处理掉，连LockBits都不需要。

２.如果图像超级大，你又用了后面的行２进行处理，你对性能的要求又无比苛刻，那还是有条路可以走。直接用MMX/SSE/3D Now指令集，４个字节同时上。你去谢谢Intel/Amd给了那么好的指令集把，可惜C#你就别想了，没有办法直接用的。自己用C++调用MMX指令集写个Dll，然后用interop调用。Interop的过程当中也是有损失的，Managed的内存空间用C#里面的Marshal是需要被转换的。所以如果真的要这样做，我推荐使用C++.NET,两块东西都能写。这里我就不给出用MMX/SSE的例子了。最后再提一句，MMX对于图像处理也足够了，SSE主要是给浮点运算的，如果你有图像渲染的那种，用SSE会快很多，那是图形学的内容了，偶不懂，不多说，怕被人用棒子打。