在C#中实现图像与其像素矩阵之间的快速转换 [原创 2007-05-12 14:00:13 ] 发表者: zqustc
终于开始我真正的数字图像研究阶段了。
当我大致浏览了一下C# 2005速成版的新特性之后，我决定，放弃以前用的.NET Framework 1.1平台了。新的（其实也不新了）平台基于.NET Framework 2.0，提供了更多更强大的功能，就比如说我下面提到的快速读写方法，就必须使用Framework 2.0中为Bitmap类提供的新成员方法。
在C#中，将图片读入是很方便的，Image抽象类里面提供了一个静态方法FromFile()，可以直接把指定了路径与文件名的图片载入到Image类的各种派生类中，比如：
private void OpenFile(object sender, EventArgs e)
{
OpenFileDialog fp = new OpenFileDialog();
fp.Filter = "Bitmap Files (*.bmp)|*.bmp|JPEG Files (*.jpg)|*.jpg|All Files (*.*)|*.*";
if (fp.ShowDialog() == DialogResult.OK)
{
string sFileName = fp.FileName;
try
{
pbShow.Image = Image.FromFile(sFileName);
}
catch (Exception ex)
{
MessageBox.Show(ex.Message, "Error");
}
}
}
其中pbShow是我定义在窗体上的一个PictureBox。
当我们进行数字图像处理的时候，一般都是基于图像的RGB矩阵、灰度矩阵、YUV矩阵等数学模型来做的。也就是说我们处理的对象是一个数字矩阵，在C#中一般也是用二维数组来存放的，这就需要我们事先将Bitmap类中存放的图像信息转而用数组来表示。进行完处理之后，再将数组形式的图像信息还原成标准图像格式的信息（位图、JPEG）。
原先我的做法是用Bitmap.GetPixel方法，逐个像素地取出像素的颜色值，然后存入数组里，就像：
public static bool GetRGB(Bitmap Source, out int[,] R, out int[,] G, out int[,] B)
{
try
{
int iWidth = Source.Width;
int iHeight = Source.Height;
// 注意这个地方图像的两维方向与数组两维的方向是转置的关系
R = new int[iHeight, iWidth];
G = new int[iHeight, iWidth];
B = new int[iHeight, iWidth];
for (int i = 0; i < iHeight; i++)
{
for (int j = 0; j < iWidth; j++)
{
Color colCurr = Source.GetPixel(j, i);
R[i, j] = colCurr.R;
G[i, j] = colCurr.G;
B[i, j] = colCurr.B;
}
}
return true;
}
catch (Exception)
{
R = null;
G = null;
B = null;
return false;
}
}
回写的时候也一样，用Bitmap.SetPixel方法逐个像素的写入。但是当我实际运行的时候，发现这样根本不可行，一个1600x1200的图像进行一次彩色到灰度的转换竟然需要5分钟，这是无法忍受的。究其原因，在于Bitmap类提供的这两个像素操作方法效率极低，这就迫使我们寻找更快速的方法。
由于C#托管代码中不能使用指针（后来经过我的验证，即使是在unsafe代码中用指针操作，速度仍然很慢），因此我们就不能像C++里面一样直接利用指针在内存中完成读写操作。好在.NET Framework提供了托管内存与非托管内存之间的读写功能，一个强大的Marshal类，使得我们快速读写图像的像素信息成为可能。
在.NET Framework 2.0中，Bitmap类多了两个有关内存操作的新方法：LockBits与UnlockBits，其具体含义请参见MSDN，我在这里就直接给出利用它们以及Marshal类进行内存读写的代码。上面的GetRGB方法经过改进之后：
public static bool GetRGB(Bitmap Source, out int[,] R, out int[,] G, out int[,] B)
{
try
{
int iWidth = Source.Width;
int iHeight = Source.Height;
Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, iWidth, iHeight);
System.Drawing.Imaging.BitmapData bmpData = Source.LockBits(rect, System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite, Source.PixelFormat);
IntPtr iPtr = bmpData.Scan0;
int iBytes = iWidth * iHeight * 3;
byte[] PixelValues = new byte[iBytes];
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(iPtr, PixelValues, 0, iBytes);
Source.UnlockBits(bmpData);
// 注意这个地方图像的两维方向与数组两维的方向是转置的关系
R = new int[iHeight, iWidth];
G = new int[iHeight, iWidth];
B = new int[iHeight, iWidth];
int iPoint = 0;
for (int i = 0; i < iHeight; i++)
{
for (int j = 0; j < iWidth; j++)
{
// 注意，Windows 中三基色的排列顺序是 BGR 而不是 RGB！
B[i, j] = Convert.ToInt32(PixelValues[iPoint++]);
G[i, j] = Convert.ToInt32(PixelValues[iPoint++]);
R[i, j] = Convert.ToInt32(PixelValues[iPoint++]);
}
}
return true;
}
catch (Exception)
{
R = null;
G = null;
B = null;
return false;
}
}
提醒注意的是，这段代码仅仅适合于像素是24位RGB的图像（8位R、8位B和8位G，不包含Alpha通道，Format24bppRgb），如果要其它像素格式的（可以参见System.Drawing.Imaging.PixelFormat的成员），可以此类推，加上一组case语句，成为完整功能的读图方法。
回写则与之相反，把需要写入的像素信息先写到byte数组中，再调用Marshal.Copy的第一个重载方法即可。下面给出我从灰度矩阵构建Bitmap类的方法：
/// <summary>
/// 由灰度矩阵创建位图
/// </summary>
/// <param name="Gray">灰度矩阵（取值0~255）</param>
/// <returns>矩阵对应的位图</returns>
public static Bitmap FromGray(int[,] Gray)
{
int iWidth = Gray.GetLength(1);
int iHeight = Gray.GetLength(0);
Bitmap Result=new Bitmap(iWidth,iHeight,System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format24bppRgb);
Rectangle rect=new Rectangle(0,0,iWidth,iHeight);
System.Drawing.Imaging.BitmapData bmpData = Result.LockBits(rect, System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format24bppRgb);
IntPtr iPtr = bmpData.Scan0;
int iStride = bmpData.Stride;
int iBytes = iWidth * iHeight * 3;
byte[] PixelValues = new byte[iBytes];
int iPoint=0;
for (int i=0;i<iHeight;i++)
for (int j = 0; j < iWidth; j++)
{
int iGray = Gray[i, j];
PixelValues[iPoint] = PixelValues[iPoint + 1] = PixelValues[iPoint + 2] = Convert.ToByte(iGray);
iPoint += 3;
}
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(PixelValues, 0, iPtr, iBytes);
Result.UnlockBits(bmpData);
return Result;
}
.NET Framework的博大精深，需要你我细心品味……
LuckySXyd
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