← Вернуться к модулю 3

Урок 3.3: Работа с Bitmap напрямую

Модуль 3 ⏱️ ~2 часа

📌 Ключевые моменты этого урока:

GetPixel/SetPixel медленны в 100+ раз для обработки целых изображений
LockBits предоставляет прямой доступ к пиксельным данным (~100x faster)
Stride - это количество байт в одной строке пикселей (может быть больше чем ширина × 4)
PixelFormat определяет формат каждого пикселя (ARGB, RGB, 8-bit, etc)
Unsafe код позволяет использовать указатели для ещё большей производительности

Производительность: GetPixel vs LockBits

КРИТИЧНО для производительности! GetPixel и SetPixel очень медленные операции:

Сравнение производительности методов доступа к пикселям

LockBits и UnlockBits

Для максимальной производительности при работе с пикселями используйте прямой доступ к данным изображения:

Bitmap bmp = new Bitmap(800, 600);
BitmapData bmpData = bmp.LockBits(
    new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height),
    ImageLockMode.ReadWrite,
    PixelFormat.Format32bppArgb
);

// Работа с данными
IntPtr ptr = bmpData.Scan0;
int bytes = Math.Abs(bmpData.Stride) * bmp.Height;
byte[] rgbValues = new byte[bytes];
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0, bytes);

// Изменение пикселей
for (int i = 0; i < rgbValues.Length; i += 4)
{
    rgbValues[i] = 255;     // B
    rgbValues[i + 1] = 0;    // G
    rgbValues[i + 2] = 0;    // R
    rgbValues[i + 3] = 255;  // A
}

System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(rgbValues, 0, ptr, bytes);
bmp.UnlockBits(bmpData);

Stride: понимание структуры памяти

ВАЖНО: Stride - не всегда equals Width × 4! Это реальное количество байт между строками:

// Пример: 800×600 изображение
// Может быть Stride = 3200 (800 × 4), но часто выравнивается до 3200
BitmapData bmpData = bmp.LockBits(...);
int stride = bmpData.Stride;  // может быть > Width × 4 по причинам выравнивания
int width = bmp.Width;
int height = bmp.Height;

// Правильный способ обхода пикселей:
unsafe
{
    byte* ptr = (byte*)bmpData.Scan0;
    for (int y = 0; y < height; y++)
    {
        // ВАЖНО: используем Stride, не Width × 4
        byte* row = ptr + (y * stride);
        for (int x = 0; x < width; x++)
        {
            row[x * 4 + 0] = 0;  // Blue
            row[x * 4 + 1] = 0;  // Green  
            row[x * 4 + 2] = 255; // Red
            row[x * 4 + 3] = 255; // Alpha
        }
    }
}
bmp.UnlockBits(bmpData);

PixelFormat: форматы пикселей

// Главные форматы:
PixelFormat.Format32bppArgb    // ARGB 32-bit (самый частый) - 4 байта/пиксель
PixelFormat.Format24bppRgb     // RGB 24-bit (нет альфы) - 3 байта/пиксель
PixelFormat.Format8bppIndexed  // 8-bit палитра (самый компактный)
PixelFormat.Format16bppRgb565  // 16-bit RGB (редко)

// При LockBits всегда проверяйте реальный формат:
BitmapData bmpData = bmp.LockBits(...);
int bytesPerPixel = Image.GetPixelFormatSize(bmpData.PixelFormat) / 8;
// Для Format32bppArgb -> bytesPerPixel = 4
// Для Format24bppRgb -> bytesPerPixel = 3

Для еще большей производительности используйте unsafe код:

unsafe
{
    BitmapData bmpData = bmp.LockBits(...);
    byte* ptr = (byte*)bmpData.Scan0;
    
    for (int y = 0; y < bmp.Height; y++)
    {
        byte* row = ptr + (y * bmpData.Stride);
        for (int x = 0; x < bmp.Width; x++)
        {
            int pixelIndex = x * 4;
            row[pixelIndex] = 255;     // B
            row[pixelIndex + 1] = 0;   // G
            row[pixelIndex + 2] = 0;   // R
            row[pixelIndex + 3] = 255;  // A
        }
    }
    
    bmp.UnlockBits(bmpData);
}

Важно: Включите "Allow unsafe code" в настройках проекта.

Прямой доступ к пикселям

// Медленный способ (для небольших изображений)
Color pixel = bmp.GetPixel(10, 20);
bmp.SetPixel(10, 20, Color.Red);

// Быстрый способ (через LockBits)
// Используйте код выше

Когда это нужно

Обработка больших изображений
Применение фильтров к изображениям
Генерация изображений по пикселям
Требования высокой производительности

Практическое задание

Задание 1: Инвертирование цветов (GetPixel/SetPixel)

Создайте приложение с кнопкой

Загрузите изображение:

private Bitmap originalImage;

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
    originalImage = new Bitmap(@"путь\к\изображению.jpg");
}

В обработчике Click кнопки инвертируйте цвета:

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Bitmap inverted = new Bitmap(originalImage);

    for (int y = 0; y < inverted.Height; y++)
    {
        for (int x = 0; x < inverted.Width; x++)
        {
            Color pixel = inverted.GetPixel(x, y);
            Color invertedPixel = Color.FromArgb(
                255 - pixel.R,
                255 - pixel.G,
                255 - pixel.B
            );
            inverted.SetPixel(x, y, invertedPixel);
        }
    }

    this.BackgroundImage = inverted;
}

Запустите приложение — посмотрите, как долго это займет

Задание 2: Инвертирование цветов (LockBits)

Используйте LockBits для ускорения:

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Bitmap inverted = new Bitmap(originalImage);

    Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, inverted.Width, inverted.Height);
    BitmapData bmpData = inverted.LockBits(
        rect, ImageLockMode.ReadWrite, inverted.PixelFormat);

    int bytesPerPixel = System.Drawing.Image.GetPixelFormatSize(bmpData.PixelFormat) / 8;

    unsafe
    {
        byte* ptr = (byte*)bmpData.Scan0;
        for (int y = 0; y < inverted.Height; y++)
        {
            byte* row = ptr + (y * bmpData.Stride);
            for (int x = 0; x < inverted.Width; x++)
            {
                int pixelIndex = x * bytesPerPixel;
                row[pixelIndex + 2] = (byte)(255 - row[pixelIndex + 2]); // R
                row[pixelIndex + 1] = (byte)(255 - row[pixelIndex + 1]); // G
                row[pixelIndex] = (byte)(255 - row[pixelIndex]);         // B
            }
        }
    }

    inverted.UnlockBits(bmpData);
    this.BackgroundImage = inverted;
}

Включите "Allow unsafe code" в настройках проекта
Запустите приложение — должно быть намного быстрее!

Задание 3: Черно-белый фильтр

Создайте черно-белый фильтр:

private Bitmap ConvertToGrayscale(Bitmap source)
{
    Bitmap gray = new Bitmap(source.Width, source.Height);
    Rectangle rect = new Rectangle(0, 0, gray.Width, gray.Height);
    BitmapData bmpData = gray.LockBits(
        rect, ImageLockMode.ReadWrite, gray.PixelFormat);

    unsafe
    {
        byte* ptr = (byte*)bmpData.Scan0;
        for (int y = 0; y < gray.Height; y++)
        {
            byte* row = ptr + (y * bmpData.Stride);
            for (int x = 0; x < gray.Width; x++)
            {
                int pixelIndex = x * 4;
                byte grayValue = (byte)((row[pixelIndex + 2] * 0.299 +
                                         row[pixelIndex + 1] * 0.587 +
                                         row[pixelIndex] * 0.114));
                row[pixelIndex] = grayValue;     // B
                row[pixelIndex + 1] = grayValue; // G
                row[pixelIndex + 2] = grayValue; // R
                row[pixelIndex + 3] = 255;       // A
            }
        }
    }

    gray.UnlockBits(bmpData);
    return gray;
}

Используйте этот метод в обработчике Click

💡 Совет: LockBits в 10-100 раз быстрее GetPixel/SetPixel. Используйте его для обработки больших изображений.

Проверка знаний

Ответьте на вопросы, чтобы проверить, насколько хорошо вы усвоили материал:

1. Для чего используется LockBits?

Для блокировки формы
Для сохранения изображения
Для прямого доступа к пикселям изображения
Для загрузки изображения

2. Что быстрее: GetPixel/SetPixel или LockBits?

LockBits намного быстрее
GetPixel/SetPixel быстрее
Одинаково
Зависит от размера изображения

3. Что такое Stride в BitmapData?

Количество байт на пиксель
Количество байт в одной строке изображения
Высота изображения
Ширина изображения

4. Какой PixelFormat использует 4 байта на пиксель?

Format24bppRgb
Format8bppIndexed
Format16bppRgb565
Format32bppArgb

5. Какой метод разблокирует Bitmap после LockBits?

UnlockBits
ReleaseBits
FreeBits
Dispose

6. В каком порядке идут байты в Format32bppArgb?

A, R, G, B
R, G, B, A
B, G, R, A
R, A, G, B

7. Какое свойство BitmapData указывает на начало данных?

Start
Scan0
Pointer
Data

8. Нужно ли включать "Allow unsafe code" для LockBits?

Да, всегда
Нет, не нужно
Только для Format24bppRgb
Только если используется указатель