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：

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。
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。
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：
ＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＸＸ
ＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＸＸ
ＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＢＧＲＸＸ

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