探索 C# 位图（Bitmap）处理：从历史到实践的全面指南

位图（Bitmap）是一种图像表示方法，其基本思想是通过排列二维网格（即像素矩阵）来表示图像中的颜色和亮度信息。每个点（像素）存储了图像的颜色信息，这使得位图成为一种直观和常见的图像存储方式，广泛用于计算机图形学、图像处理、显示技术等领域。

1. 位图的历史背景

位图的历史可以追溯到计算机图形学的发展。在早期的计算机图形中，图像并不像今天这样由向量（矢量）和像素两种类型存储，而是更常见的通过点阵（Raster）或位图（Bitmap）来表示。位图是一种“栅格化”的方式，将图像分解为成千上万的像素。随着显示设备的演进，位图格式也不断演变。最早的显示设备如CRT 显示器和打印机主要依赖位图格式进行显示。

早期的图像存储

• 点阵图：最早的计算机图形是基于点阵图（raster
  graphics），每个点阵由若干个像素构成。每个像素包含颜色和亮度信息。像素的布局方式可以是二维网格，也可以是其他空间结构。
• 发展到位图：随着显示技术的发展，尤其是屏幕分辨率的提高，位图（bitmap）作为一种基于像素的存储格式逐渐成为标准。位图通常不依赖于显示设备的物理属性，因此它成为跨平台的标准格式。BMP格式便是
  Windows 系统中广泛使用的位图文件格式。

2. 位图的基本原理

位图通常是由二维网格组成，每个网格的单元代表一个像素。位图的每个像素会有一个固定的颜色（通常以 RGB 或 RGBA 格式表示）。例如，位图图像可能由宽度 W 和高度 H 的像素矩阵构成，图像的大小通常为 W * H 个像素点。

每个像素点的颜色可以由若干位（bits）表示：

• 1位：黑白图像，像素值只有两种可能（0 或 1）。
• 8位：灰度图像，可以表示 256 种不同的灰度级别。
• 24位：彩色图像，通常使用 RGB 色彩模式，每个像素由 3 个字节表示，每个字节表示一个颜色分量（红色、绿色、蓝色），每个颜色分量的值在
  0 到 255 之间。

图像处理中的许多操作都依赖于对位图中每个像素的访问和修改，位图处理的核心就是对这些像素进行操作。

3. C# 中的 Bitmap 类

在 C# 中，System.Drawing.Bitmap 是 .NET Framework 中用于操作位图图像的主要类之一。它允许我们创建图像、读取图像、修改像素以及进行绘图操作。

• 命名空间：System.Drawing
• 核心类：Bitmap 类

Bitmap 类的构造方法

Bitmap 类提供了多个构造方法来创建位图对象：

• 从文件创建位图

Bitmap(string filename)：从指定的文件路径加载图像。例如：

Bitmap bitmap = new Bitmap("image.bmp");

• 从流（Stream）创建位图

Bitmap(Stream stream)：通过指定的流来创建位图。例如：

using (FileStream fs = new FileStream("image.jpg", FileMode.Open))
{
    Bitmap bitmap = new Bitmap(fs);
}

• 创建指定宽高的空白位图

Bitmap(int width, int height)：创建一个指定大小的位图，但初始没有内容。例如：

Bitmap bitmap = new Bitmap(100, 100);  // 创建 100x100 的空白位图

• 从像素数据创建位图

Bitmap(int width, int height, PixelFormat format, IntPtr scan0)：可以通过指定像素数据、像素格式、扫描线指针等方式创建位图。

Bitmap 类的常用属性和方法

• GetPixel(x, y)

这个方法返回指定位置 (x, y) 的像素颜色。返回的是 Color 类型对象。例子：

Color color = bitmap.GetPixel(10, 20);

• SetPixel(x, y, color)

这个方法可以设置 (x, y) 位置的像素颜色。例子：

bitmap.SetPixel(10, 20, Color.Red);

• Save()

这个方法可以将位图保存为指定格式的文件，如 BMP、JPEG、PNG 等。例子：

bitmap.Save("output.png", ImageFormat.Png);

• LockBits() 和 UnlockBits()

这些方法可以用于高效的访问和修改位图的像素数据。LockBits 可以锁定图像的位图数据（即将位图的数据从内存中提取到固定的内存块中），可以更快速地进行批量操作。UnlockBits 用于解锁该内存块。通过这种方式，位图操作的效率比单纯的 GetPixel() 和 SetPixel() 方法要高得多，尤其在处理大图像时。

例如：

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

// 在这里可以访问 bitmapData.Scan0 来操作像素数据

bitmap.UnlockBits(bitmapData);

位图与 Graphics 类的关系

Graphics 类是 .NET 中用于绘制图形的核心类之一。它可以在 Bitmap 上执行绘制操作，如绘制文本、线条、矩形、图像等。当你需要修改位图的内容时，可以使用 Graphics 类来进行绘制，操作效率比直接修改每个像素要高。

例如，使用 Graphics 类绘制图形：

Graphics g = Graphics.FromImage(bitmap);
g.FillRectangle(Brushes.Red, 10, 10, 50, 50);  // 在位图上绘制一个红色矩形
g.Dispose();  // 使用完毕后释放资源

4. 位图的常见操作

• 缩放和旋转：你可以使用 Graphics 对象对 Bitmap 进行缩放、旋转、剪切等操作。例如：

Graphics g = Graphics.FromImage(bitmap);
g.RotateTransform(45);  // 旋转 45 度
g.DrawImage(bitmap, 0, 0);
g.Dispose();

• 调整亮度和对比度：这通常需要访问位图的每个像素，通过修改像素的颜色分量来实现。例如，可以编写自定义代码来增亮或降低图像的对比度。
• 图像过滤：通过像素级操作或使用已有的图像滤镜（例如模糊、锐化等），可以对图像进行处理。
• 颜色空间变换：位图通常存储为 RGB 格式，但有时需要将其转换为其他颜色空间（如 HSL 或 YUV）以进行特定的图像处理。

5. 总结

System.Drawing.Bitmap 类是 C# 中处理位图图像的强大工具，它提供了多种方法和属性来创建、操作、修改和保存位图。通过对位图的像素操作，可以实现多种图像处理任务，包括图像转换、滤镜效果、绘图操作、图像缩放等。在 C# 中，图像处理和位图操作是图形应用程序、游戏开发、UI 设计等领域不可或缺的一部分。

如果你对位图操作的性能要求较高，可以考虑使用 LockBits 和 UnlockBits 方法进行直接的内存操作，这样能显著提高性能，特别是在需要频繁读取或写入图像像素的场合。