量化GDI+:快速Bitmap读写像素

    xiaoxiao2021-03-25  104

    写在前面的话:

    本文针对GDI+下Bitmap操作(Get/SetPixel)进行测试,而非寻求最快速的位图处理方式。如果你需要速度上的提升,请使用GDI+以外的技术,如并行计算、调用MMX/SSE指令、CUDA等。

    这是一个古老的技巧: 使用Bitmap类时经常会用到GetPixel和SetPixel,但是这两个方法直接使用都比较慢,所以一般都会使用LockBits/UnlockBits将位图在内存中锁定,以加快操作速度。 MSDN上的标准参考是这样的:

    [csharp] view plain copy print ? private void LockUnlockBitsExample(PaintEventArgs e)      {            // Create a new bitmap.创建位图          Bitmap bmp = new Bitmap("c:\\fakePhoto.jpg");            // Lock the bitmap's bits.  锁定位图          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.获取首行地址          IntPtr ptr = bmpData.Scan0;            // Declare an array to hold the bytes of the bitmap.定义数组保存位图          int bytes  = Math.Abs(bmpData.Stride) * bmp.Height;          byte[] rgbValues = new byte[bytes];            // Copy the RGB values into the array.复制RGB值到数组          System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0, bytes);            // Set every third value to 255. A 24bpp bitmap will look red.  把每像素第3个值设为255.24bpp的位图将变红          for (int counter = 2; counter < rgbValues.Length; counter += 3)              rgbValues[counter] = 255;            // Copy the RGB values back to the bitmap 把RGB值拷回位图          System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(rgbValues, 0, ptr, bytes);            // Unlock the bits.解锁          bmp.UnlockBits(bmpData);            // Draw the modified image.绘制更新了的位图          e.Graphics.DrawImage(bmp, 0, 150);      }   因为我比较闲,所以我在想这样的问题:加快之后到底有多快? 为此,我稍微调整了下之前用过的BitmapEx类(记得应该是人脸识别还是什么代码里用过),改成FastBitmap,然后创建了测试程序,搜集了一系列测试用例。(点击左上图片框打开图片文件,无异常处理) 发个帖子然后蒸馒头吃 -------- 这是一个古老的技巧: 使用Bitmap类时经常会用到GetPixel和SetPixel,但是这两个方法直接使用都比较慢,所以一般都会使用LockBits/UnlockBits将位图在内存中锁定,以加快操作速度。 MSDN上的标准参考是这样的: C# code private void LockUnlockBitsExample(PaintEventArgs e) { // Create a new bitmap.创建位图 Bitmap bmp = new Bitmap( " c:\\fakePhoto.jpg " ); // Lock the bitmap's bits. 锁定位图 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.获取首行地址 IntPtr ptr = bmpData.Scan0; // Declare an array to hold the bytes of the bitmap.定义数组保存位图 int bytes = Math.Abs(bmpData.Stride) * bmp.Height; byte [] rgbValues = new byte [bytes]; // Copy the RGB values into the array.复制RGB值到数组 System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0 , bytes); // Set every third value to 255. A 24bpp bitmap will look red. 把每像素第3个值设为255.24bpp的位图将变红 for ( int counter = 2 ; counter < rgbValues.Length; counter += 3 ) rgbValues[counter] = 255 ; // Copy the RGB values back to the bitmap 把RGB值拷回位图 System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(rgbValues, 0 , ptr, bytes); // Unlock the bits.解锁 bmp.UnlockBits(bmpData); // Draw the modified image.绘制更新了的位图 e.Graphics.DrawImage(bmp, 0 , 150 ); } 因为我比较闲,所以我在想这样的问题:加快之后到底有多快? 为此,我稍微调整了下之前用过的BitmapEx类(记得应该是人脸识别还是什么代码里用过),改成FastBitmap,然后创建了测试程序,搜集了一系列测试用例。(点击左上图片框打开图片文件,无异常处理) 测试用例如下: 为了保证不受文件格式影响,统一使用24bpp的bmp格式。(感谢科技发展,内存白菜价,不然单个文件将近200MB可真要让我麻烦一番。) 考察分为GetPixel和SetPixel两个部分,把读写分开。测试代码(以GetPixel为例)非常简单,如下: [csharp] view plain copy print ? for (int y = 0; y < h; y++)  {      for (int x = 0; x < w; x++)      {          tmp = bmp.GetPixel(x, y);      }  }   其中bmp分别为Bitmap和FastBitmap。 为了专注于对比结果,虽然逐像素遍历图像非常耗费时间,但并没有刻意使用并行计算,使用单个CPU内核完成。所以如果你打算用这个程序对特别巨大的图片(10000×10000数量级以上)进行测试,还请慎重。 经过测试,得到了这样的测试结果: 从测试结果来看,号称「Fast」果然有两把刷子,平均提升效率在90%~95%,也就说性能提高了10~20倍。 这个结果,虽然还不算很快,但我觉得基本到了GDI+的极限了(剩下的就是机器性能的提升了),如果再要提升,可以试试并行计算、C++ native、直接调用MMX/SSE指令、CUDA之类的技术。 我不知道现在技术发展下还有多少用到Bitmap的场合,只是觉得:追求开发效率和性能平衡的时候,Bitmap也能成为一个不错的选择。 测试程序下载: 点击下载

    后记

    有朋友指出:

    GDI+这种 LockBits是临时性的把图像的数据读到内存,是不适合于做专业的图像处理软件的,专业做的话一个图像加载后在内存中的格式应该是固定的,这样做算法也就是直接访问这段内存的数据。GetPixel之类的函数的存在也不是为了专业的图像处理的,而是对类似于屏幕取色或DC取色这样小批量数据时方便处理。

    要玩速度,图像处理方面的算法先是用普通语言写出来,对算法的核心尽心优化,如果速度还不行,考虑用汇编进一步优化,越简单的算法,用汇编优化的速度能提高的倍数越高,比如,最简单的反色算法,3000*4000*24的图像,一般的语言要100ms左右的处理时间,用汇编的话20ms够了,不过复杂的算法,一般汇编能提升的档次不会有这么明显。

    尽管本文的目的并非追求速度,仅仅是「测试」速度,我还是尝试着优化了一下代码,就用上述「反色」操作为例进行了测试。

    测试用例选择#7(4096x4096 @ 24bpp),用时299ms,截图如下:

    随后再次改进算法,得到了52ms的速度提升(约17%)。

    这个结果,尽管较一般操作方式快了不少,但和「一般的语言100ms左右」比起来,还是「右」得多了一点(笑)。和汇编的「20ms」(无实验数据)比,差得更远了。

    优化代码似乎比较有趣,我就继续试着优化一下。通过调整调用结构,改进算法,使用多线程并行计算,总算是进入50ms了。

    仍旧基于Bitmap类的LockBits/UnlockBits。

    语言:C#、C#指针

    测试机:i3 380M @2.53GHz,2.92G DDR3-1333,Windows 7 32位

    速度:约50ms


    网友测试结果对比

    以下是部分热心网友给出的测试结果数据,加以对比,供诸君参考。

    测试项目统一为对规格为4096x4096x24bpp的位图图像进行反色处理。

    测试1:

    ImageWizard(作者:laviewpbt)

    实现:汇编+VB.NET

    配置:i3 380M @2.53GHz,2.92G DDR3-1333,Windows 7 32位

    用时:25ms

    测试2:

    临时测试(作者:兰征鹏)

    实现:VC++.NET调用SSE指令

    配置:i7 860@2.93GHz,12G PC1333内存,Windows7 64位

    用时:12~19ms

    测试3:

    GebImage(作者:xiaotie)

    实现:C#重写全部图像库、unsafe指针

    配置:优于测试1

    用时:33ms

    测试4:

    本文(作者:野比)

    实现:GDI+、unsafe指针

    配置:同测试1

    用时:46ms

    (完)

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