一个支持格式转换、从 URL 获取位图、叠加等功能的位图处理类。

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摘要

随着 GDI+ API 的发布，微软极大地增强了其图形 API 的功能和灵活性，同时也增加了本已模糊的 GDI API 的复杂性和表面积。幸运的是，.NET Framework 提供了 System.Drawing 命名空间层次结构，以（某种程度上）可控的接口封装了大部分 GDI+ API。不幸的是，许多复杂性仍然存在，因此许多简单的图像处理任务，例如调整位图大小、裁剪区域或在一种格式与其他格式之间转换，要么很复杂，要么不显而易见，有时两者兼而有之。

在本文中，我将介绍我用 C# 编写的 BitmapManipulator 类，它实现了许多常见的图像处理函数，以及更高级的功能，如将叠加图像 alpha 混合到一个位图上，同时隐藏了 GDI+ 的复杂细节。我最初开发这个类是为了用于一个基于 Web 的相册应用程序，因此强调简单易用性和性能。尽管有其起源，但该类及其代码应该适用于各种应用程序，如源代码存档中包含的 Windows Forms 测试程序所示。

引言

本文介绍了 BitmapManipulator 类，回顾了其功能，并带领读者了解源代码的关键元素，指出有趣的技巧或注意事项。对于只想在应用程序中使用该类的读者，可以跳过代码讲解部分，但鼓励所有读者阅读全文。

随附的源代码存档包含 Visual Studio.NET 2002 项目文件，但源代码应该可以与 VS.NET 2K2 或 VS.NET 2K3 配合使用。

背景

BitmapManipulator 是基于 .NET Framework 的 GDI+ 包装类构建的，这些类位于 System.Drawing 命名空间中。虽然对 System.Drawing 进行全面概述远超本文范围，但做一个粗略的回顾可能会很有用。

所有图像都由 System.Drawing.Image 类或其派生类表示。 Image 提供了适用于所有图像类型的基本属性和方法。它的子类 System.Drawing.Bitmap 和 System.Drawing.Imaging.Metafile 分别为位图图像（即光栅图像；由像素描述的图像）和图元文件图像提供了附加功能。在本文的其余部分，我们将重点关注 Bitmap 类，该类不仅用于表示 BMP 文件，还用于表示 JPEG、GIF、PNG、TIFF 以及 GDI+ 支持的所有其他光栅文件格式。

除了 Bitmap 类之外，System.Drawing.Graphics 在 BitmapManipulator 的代码中也占有重要地位。Graphics 是用于表示“显示设备”的抽象，但在这种情况下，“显示设备”的含义比监视器更广。概念上，在 GDI+ 中，位图的几乎所有操作（如旋转、裁剪等）实际上都不是直接在 Bitmap 对象上执行的，而是在 Graphics 对象上执行的。反过来，该 Graphics 对象可以表示屏幕、打印机或（在我们的例子中）Bitmap 对象中的图像内容。熟悉 Win32 GDI API 的人会认出 Graphics 是 GDI 设备上下文 (DC) 的面向对象形式。

除了 Bitmap 和 Graphics 之外，下面还会遇到一些枚举，如 PixelFormat，以及类，如 ImageFormat。幸运的是，这些实例大多数都相当容易理解，因此上面的概述足以开始回顾 BitmapManipulator 的实现。

BitmapManipulator 结构

BitmapManipulator 是一个 static 类，在一个 C# 源文件中实现。从设计角度来看，它遵循我同事 Richard Cooper 所称的“函数桶”模式；也就是说，它只是公开完全自包含的 static 方法，这些方法最多只与其他方法有浅层关联。虽然这种模式在某些情况下可能不理想，但在本例中，它造就了一个连贯、简洁、易于使用的类，可以轻松地集成到任何地方。

一般来说，每个函数都对位图执行某种操作。为此，每个函数至少接受一个 Bitmap 对象，以及执行操作所需的任何参数。此外，每个函数都返回一个 Bitmap，该位图始终是与传入的位图不同的新实例。在我编写 BitmapManipulator 时，由于一些不常用的原因需要此功能，但在其他情况下它也可能是有利的。然而，必须记住，当不再需要输入 Bitmap 时，要调用 Dispose()，以最有效地利用资源。

下面是一个 BitmapManipulator 函数的示例。

public static Bitmap ScaleBitmap(Bitmap inputBmp, double scaleFactor)

在这种情况下，除了输入的 Bitmap 参数之外，还有一个缩放因子用于控制要执行的操作。绝大多数情况下，BitmapManipulator 的大多数方法都采用这种形式。

位图操作

GetBitmapFromUri

public static Bitmap GetBitmapFromUri(String uri);
public static Bitmap GetBitmapFromUri(Uri uri);
 
public static Bitmap GetBitmapFromUri(String uri, int timeoutMs);
public static Bitmap GetBitmapFromUri(Uri uri, int timeoutMs);

虽然提供了此方法的各种重载形式，但它们都执行相同的任务：从 URI 中检索图像文件，将该文件加载到 Bitmap 中，并返回所得对象。

这些方法中唯一值得注意的一点是对 WebRequest/WebResponse 类及其相关异常的包装：在我编写 BitmapManipulator 时，我需要为用户提供有意义的错误消息，以便在图像下载失败时显示，因此在这些方法中，我捕获与常规 HTTP 错误相关的异常，并将它们打包到一个通用的 BitmapManipException 中，并附带一个（相对）用户友好的错误消息。当然，原始异常始终可以通过 InnerException 属性访问，但此功能使得将图像下载功能集成到应用程序中变得容易，而不会向用户暴露任何尖锐的边缘。

ConvertBitmap

public static Bitmap ConvertBitmap(Bitmap inputBmp, String destMimeType);
public static Bitmap ConvertBitmap(Bitmap inputBmp, 
       System.Drawing.Imaging.ImageFormat destFormat);

顾名思义，此方法的所有重载都用于将一种位图格式转换为另一种格式（例如，JPEG 到 GIF 或 TIFF 到 PNG）。执行此操作所需的代码是 GDI+ 中常见的简单但出人意料的复杂操作的示例。

//Create an in-memory stream which will be used to save
//the converted image
System.IO.Stream imgStream = new System.IO.MemoryStream();
//Save the bitmap out to the memory stream, 
//using the format indicated by the caller
inputBmp.Save(imgStream, destFormat);

//At this point, imgStream contains the binary form of the
//bitmap in the target format.  All that remains is to load it
//into a new bitmap object
Bitmap destBitmap = new Bitmap(imgStream);

没错；图像被保存到内存流中，然后从流中加载到新的 Bitmap 对象中。荒谬，但有效。

ConvertBitmapToJpeg

public static Bitmap ConvertBitmapToJpeg(Bitmap inputBmp, int quality);

作为 ConvertBitmap 的一个特殊情况，此函数将位图转换为 JPEG，并可选择指定 JPEG 编码器的质量参数。此参数在 0（严重失真，极佳压缩）到 100（无损，最小压缩）之间。我最初需要此功能是因为，在我的相册应用程序中，我想将用户照片的质量强制设置为 50 或更低，以最大限度地减少磁盘空间使用。将 quality 传递 -1 等同于使用 ConvertBitmap 并将目标格式设置为 JPEG。

不幸的是，为 JPEG 编码器指定质量参数并非易事，也并非显而易见。由于这似乎是一个经常被问到的问题，因此很有必要展示所需的代码。

//Create an in-memory stream which will be used to save
//the converted image
System.IO.Stream imgStream = new System.IO.MemoryStream();

//Get the ImageCodecInfo for the desired target format
ImageCodecInfo destCodec = FindCodecForType
        (MimeTypeFromImageFormat(ImageFormat.Jpeg));
if (destCodec == null) {
    //No codec available for that format
    throw new ArgumentException("The requested format " +
        MimeTypeFromImageFormat(ImageFormat.Jpeg) +
        " does not have an available codec installed",
        "destFormat");
}

//Create an EncoderParameters collection to contain the
//parameters that control the dest format's encoder
EncoderParameters destEncParams = new EncoderParameters(1);

//Use quality parameter
EncoderParameter qualityParam = new 
        EncoderParameter(Encoder.Quality, quality);
destEncParams.Param[0] = qualityParam;

//Save w/ the selected codec and encoder parameters
inputBmp.Save(imgStream, destCodec, destEncParams);

//At this point, imgStream contains the binary form of the
//bitmap in the target format.  All that remains is to load it
//into a new bitmap object
Bitmap destBitmap = new Bitmap(imgStream);

总而言之，您必须找到目标格式（在此例中为 JPEG）的 ImageCodecInfo 对象，知道未公开的 JPEG 编码器接受一个名为 Encoder.Quality 的参数，其值在 0 到 100 之间，创建一个 EncoderParameter 对象来表示此参数，以及一个 EncoderParameters 集合来包含 EncoderParameterObject。最后，将 ImageCodecInfo 和 EncoderParameters 对象传递给 Bitmap 类的 Save 方法，即可完成。

ConvertBitmapToTiff

public static Bitmap ConvertBitmapToTiff(Bitmap inputBmp, 
          TiffCompressionEnum compression);

概念上，此方法与 ConvertBitmapToJpeg 相同，只是此方法将位图转换为 TIFF 格式。虽然 TIFF 不支持 JPEG 编码器提供的质量参数，但它支持基于图像颜色深度的多种压缩算法。因此，ConvertBitmapToTiff 不是使用质量参数，而是接受一个 BitmapManipulator.TiffCompressionEnum 类型的参数，该参数可以具有以下任何值：

• CCITT3
• CCITT4
• LZW
• RLE
• 无
• Unspecified（未指定）

请注意，CCITT3、CCITT4 和 RLE 在处理 24 或 32 位 TIFF 文件时似乎无法正常工作；会从 GDI+ 内部引发异常。考虑到 GDI+ 的这一领域几乎没有文档记录，一些怪癖是意料之中的。可以使用源代码存档中包含的示例应用程序比较容易地探索此问题。

传递 TiffCompressionEnum.Unspecified 等同于调用 ConvertBitmap 并将 TIFF 指定为目标格式。

在 ConvertBitmapToTiff 中使用的代码与 ConvertBitmapToJpeg 相同，只是魔术参数是压缩而不是质量。

ScaleBitmap

public static Bitmap ScaleBitmap(Bitmap inputBmp, double scaleFactor);
public static Bitmap ScaleBitmap(Bitmap inputBmp, 
           double xScaleFactor, double yScaleFactor);

显然，此函数通过缩放因子缩放位图的尺寸。传递 1.0 会返回输入位图的精确副本，2.0 会生成原始位图两倍大小的位图，0.5 会生成一半大小的位图，依此类推。

对 ScaleBitmap 的实现值得注意的是其反直觉之处。

//Create a new bitmap object based on the input
Bitmap newBmp = new Bitmap(
    (int)(inputBmp.Size.Width*xScaleFactor),
    (int)(inputBmp.Size.Height*yScaleFactor),
    PixelFormat.Format24bppRgb);
    //Graphics.FromImage doesn't like Indexed pixel format
    
    
//Create a graphics object attached to the new bitmap
Graphics newBmpGraphics = Graphics.FromImage(newBmp);

//Set the interpolation mode to high quality bicubic
//interpolation, to maximize the quality of the scaled image
newBmpGraphics.InterpolationMode = InterpolationMode.HighQualityBicubic;
newBmpGraphics.ScaleTransform((float)xScaleFactor, (float)yScaleFactor);

//Draw the bitmap in the graphics object, which will apply
//the scale transform
//Note that pixel units must be specified to 
//ensure the framework doesn't attempt
//to compensate for varying horizontal resolutions 
//in images by resizing; in this case,
//that's the opposite of what we want.
Rectangle drawRect = new Rectangle(0, 0, 
       inputBmp.Size.Width, inputBmp.Size.Height);
newBmpGraphics.DrawImage(inputBmp, drawRect, 
       drawRect, GraphicsUnit.Pixel);

//Return the bitmap, as the operations on the graphics object
//are applied to the bitmap
newBmpGraphics.Dispose();

//newBmp will have a RawFormat of MemoryBmp because it was created
//from scratch instead of being based on inputBmp. 
//Since it it inconvenient
//for the returned version of a bitmap to be of a 
//different format, now convert
//the scaled bitmap to the format of the source bitmap
return ConvertBitmap(newBmp, inputBmp.RawFormat);

在这里，创建了一个 Graphics 对象，并将其绑定到一个具有与输入位图相同尺寸的新空白位图上，并根据缩放因子进行了缩放。插值模式已设置为适当的模式，在本例中是速度最慢但质量最高的一种。接下来，在 Graphics 对象上调用 ScaleTransform，并将 x 和 y 缩放因子作为参数传递。请注意，此时，输入图像尚未复制到 Graphics 对象；相反，ScaleTransform 向 Graphics 对象的“管道”添加了一个变换，因此对 Graphics 对象的任何未来操作都将经历一个缩放。这是一个强大的概念，但最初是反直觉的。

最后，将输入图像绘制到 Graphics 对象上，由于缩放变换已安装，因此图像将在渲染到先前创建的空白位图之前进行缩放。

这种变换管道的概念是 GDI+ 支持的许多变换的核心。

ResizeBitmap

public static Bitmap ResizeBitmap(Bitmap inputBmp, 
                       int imgWidth, int imgHeight);

对 ResizeBitmap 的实现非常简单。

//Simply compute scale factors that result in the desired size, 
//then call ScaleBitmap
return ScaleBitmap(inputBmp,
    (float)imgWidth/(float)inputBmp.Size.Width,
    (float)imgHeight/(float)inputBmp.Size.Height);

由于 GDI+ 不提供 resize 变换的概念，因此必须通过缩放因子来实现调整大小。由于浮点数的精度，经过四舍五入后，生成的图像可能会有一像素的偏差，但对于大多数应用程序来说，这并不关键。

ThumbnailBitmap

到目前为止，我们检查过的所有方法都有些平庸。而此方法则提供了一个非常有用且有些晦涩的功能：给定一个位图和一个边界矩形，返回输入位图的副本，该副本被缩放到可以容纳在该边界矩形内的最大尺寸，而不会改变图像的宽高比。

再次，我为我的相册应用程序创建了此功能，以便我可以显示一个缩略图表，其中每个表单元格的大小都统一。

此方法实现本身并不值得注意；正如人们所料，它依赖于 ScaleBitmap 来完成繁重的工作。

RotateBitmapRight

public static Bitmap RotateBitmapRight90(Bitmap inputBmp);
public static Bitmap RotateBitmapRight180(Bitmap inputBmp);
public static Bitmap RotateBitmapRight270(Bitmap inputBmp);

将位图分别向右旋转 90、180 和 270 度。令人惊讶的是，实现非常简单直接，在处理 GDI+ 时这是一种例外。考虑 RotateBitmapRight90：

//Copy bitmap
Bitmap newBmp = (Bitmap)inputBmp.Clone();
newBmp.RotateFlip(RotateFlipType.Rotate90FlipNone);

//The RotateFlip transformation converts bitmaps to memoryBmp,
//which is uncool.  Convert back now
return ConvertBitmap(newBmp, inputBmp.RawFormat);

令人惊讶的是，Bitmap 类提供了一个 RotateFlip 方法，该方法执行旋转。不需要 Graphics 对象或繁琐的其他代码行。幸运的是，这种直观性本身是异常的，这使得一些混淆得以保留。

ReverseBitmap 和 FlipBitmap

public static Bitmap ReverseBitmap(Bitmap inputBmp);
public static Bitmap FlipBitmap(Bitmap inputBmp);

分别反转（镜像）和翻转（上下颠倒）图像。这些也使用了 Bitmap.RotateFlip 方法，几乎仅此而已。

CropBitmap

public static Bitmap CropBitmap(Bitmap inputBmp, Rectangle cropRectangle);

裁剪输入图像，返回一个包含输入位图中由裁剪矩形包围的部分的位图。此方法的实现是另一个简单但出人意料的解决方案：

//Create a new bitmap object based on the input
Bitmap newBmp = new Bitmap(cropRectangle.Width,
    cropRectangle.Height,
    PixelFormat.Format24bppRgb);
    //Graphics.FromImage doesn't like Indexed pixel format

//Create a graphics object and attach it to the bitmap
Graphics newBmpGraphics = Graphics.FromImage(newBmp);

//Draw the portion of the input image in the crop rectangle
//in the graphics object
newBmpGraphics.DrawImage(inputBmp,
    new Rectangle(0, 0, cropRectangle.Width, cropRectangle.Height),
    cropRectangle,
    GraphicsUnit.Pixel);

//Return the bitmap
newBmpGraphics.Dispose();

//newBmp will have a RawFormat of MemoryBmp because it was created
//from scratch instead of being based on inputBmp. 
//Since it it inconvenient
//for the returned version of a bitmap to be 
//of a different format, now convert
//the scaled bitmap to the format of the source bitmap
return ConvertBitmap(newBmp, inputBmp.RawFormat);

请注意，GDI+ 并不提供任何显式的裁剪支持。相反，会创建一个新的位图，其尺寸与裁剪矩形相同。然后，将一个 Graphics 对象绑定到此新 Bitmap，并调用 Graphics.DrawImage 将裁剪矩形内的输入图像数据绘制到 Graphics 对象上，从而绘制到新位图上。简单，但不直观。

OverlayBitmap

public static Bitmap OverlayBitmap(Bitmap destBmp, 
       Bitmap bmpToOverlay, Point overlayPoint);
public static Bitmap OverlayBitmap(Bitmap destBmp, 
       Bitmap bmpToOverlay, ImageCornerEnum corner);
public static Bitmap OverlayBitmap(Bitmap destBmp, 
       Bitmap bmpToOverlay, int overlayAlpha, Point overlayPoint);
public static Bitmap OverlayBitmap(Bitmap destBmp, 
       Bitmap bmpToOverlay, int overlayAlpha, ImageCornerEnum corner);

此方法是使此类有别于无数其他 C# 图像类的主要元素。通过此方法，可以将一个（假定较小）位图叠加到另一个（假定较大）位图上，可以放在角落、中心或任意点，并带有任意 alpha（透明度）。此功能是为了让我的相册应用程序可以在每张照片上放置一个小的、半透明的水印。

使用此方法非常简单：传递放置叠加图像的图像、要叠加的图像、一些指定叠加图像位置的说明，以及一个可选的 alpha 值（0 到 100；0 为透明，100 为不透明）。

此方法的实现绝非直观。虽然将一个图像叠加到另一个图像上相对简单（只需将 Graphics 对象绑定到输入位图，然后调用 Graphics.DrawImage 来复制叠加图像），但包含叠加的透明度则相当复杂。

//Convert alpha to a 0..1 scale
float overlayAlphaFloat = (float)overlayAlpha / 100.0f;

//Copy the destination bitmap
//NOTE: Can't clone here, because if destBmp is indexed instead of just RGB,
//Graphics.FromImage will fail
Bitmap newBmp = new Bitmap(destBmp.Size.Width,
    destBmp.Size.Height);

//Create a graphics object attached to the bitmap
Graphics newBmpGraphics = Graphics.FromImage(newBmp);

//Draw the input bitmap into this new graphics object
newBmpGraphics.DrawImage(destBmp,
    new Rectangle(0, 0,
                destBmp.Size.Width,
                destBmp.Size.Height),
    0, 0, destBmp.Size.Width, destBmp.Size.Height,
    GraphicsUnit.Pixel);

//Create a new bitmap object the same size as the overlay bitmap
Bitmap overlayBmp = new Bitmap(bmpToOverlay.Size.Width, 
                                bmpToOverlay.Size.Height);

//Make overlayBmp transparent
overlayBmp.MakeTransparent(overlayBmp.GetPixel(0,0));

//Create a graphics object attached to the bitmap
Graphics overlayBmpGraphics = Graphics.FromImage(overlayBmp);

首先，创建一个与输入位图尺寸相同的新 Bitmap 对象。将一个 Graphics 对象绑定到 Bitmap 对象，并使用 DrawImage(Unscaled) 将输入 Bitmap 复制到新 Bitmap 对象。同样，为叠加位图创建一个新的 Bitmap 对象，将叠加位图中的第一个像素设置为透明像素（这是可选的；如果叠加位图不应该有透明背景，则删除它），并将一个 Graphics 对象绑定到叠加 Bitmap 的副本。

//Create a color matrix which will be applied to the overlay bitmap
//to modify the alpha of the entire image
float[][] colorMatrixItems = {
    new float[] {1, 0, 0, 0, 0},
    new float[] {0, 1, 0, 0, 0},
    new float[] {0, 0, 1, 0, 0},
    new float[] {0, 0, 0, overlayAlphaFloat, 0},
    new float[] {0, 0, 0, 0, 1}
};
ColorMatrix colorMatrix = new ColorMatrix(colorMatrixItems);

//Create an ImageAttributes class to contain a color matrix attribute
ImageAttributes imageAttrs = new ImageAttributes();
imageAttrs.SetColorMatrix(colorMatrix, 
       ColorMatrixFlag.Default, ColorAdjustType.Bitmap);

//Draw the overlay bitmap into the graphics object, 
//applying the image attributes
//which includes the reduced alpha
Rectangle drawRect = new Rectangle(0, 0, 
       bmpToOverlay.Size.Width, bmpToOverlay.Size.Height);
overlayBmpGraphics.DrawImage(bmpToOverlay,
    drawRect,
    0, 0, bmpToOverlay.Size.Width, bmpToOverlay.Size.Height,
    GraphicsUnit.Pixel,
    imageAttrs);
overlayBmpGraphics.Dispose();

接下来，创建一个 5x5 矩阵，该矩阵由单位矩阵组成，其中单元格 (4,4) 设置为从 0 到 1 缩放的 alpha 值。任何具有线性代数经验的读者都会认出这里正在构建一个线性变换，尽管其目的可能尚不清楚。

此矩阵用于创建一个 ImageAttributes 对象，并将其传递给 ImageAttributes.SetColorMatrix。该矩阵有效地编码了图像中每个像素颜色的变换，其中颜色是一个五元组，第四个元素是 alpha。再次，一些线性代数经验将使读者得出结论，所有这些矩阵工作都是一种冗长的方式来表示“将 alpha 通道按缩放因子（0-1）进行缩放”。

最后，使用熟悉的 Graphics.DrawImage 将叠加 Bitmap 绘制到叠加副本 Bitmap 中，将叠加 Bitmap 通过颜色变换矩阵，因此结果是原始叠加位图，但透明度信息根据 alpha 值设置。

//overlayBmp now contains bmpToOverlay w/ the alpha applied.
//Draw it onto the target graphics object
//Note that pixel units must be specified 
//to ensure the framework doesn't attempt
//to compensate for varying horizontal resolutions 
//in images by resizing; in this case,
//that's the opposite of what we want.
newBmpGraphics.DrawImage(overlayBmp,
    new Rectangle(overlayPoint.X, overlayPoint.Y, 
    bmpToOverlay.Width, bmpToOverlay.Height),
    drawRect,
    GraphicsUnit.Pixel);
newBmpGraphics.Dispose();

//Recall that newBmp was created as a memory bitmap; 
//convert it to the format
//of the input bitmap
return ConvertBitmap(newBmp, destBmp.RawFormat);

现在，给定一个带有透明度的叠加 Bitmap 版本，另一个 Graphics.DrawImage 调用将其叠加到输入位图上。除了清理和形式化之外，这就是半透明叠加的全部内容。

显然，这是 GDI+ 混淆和复杂操作中最痛苦的例子。然而，最终结果是输入位图和叠加位图的专业、引人注目的混合，非常值得付出努力。

杂项

一些其他公共方法用于 MIME 类型转换等，但它们不执行任何实质性的位图操作。

示例应用程序

本文源代码存档中包含一个简单的 C# Windows Forms 应用程序，它演示了 BitmapManipulator 中的所有功能。请注意，此应用程序是为了演示 BitmapManipulator 类的使用并为读者提供即时满足感而编写的，而不是为了展示作者在 Windows Forms 开发方面的精湛技艺。错误处理和输入验证已被省略，UI 清理留给读者作为练习。

结论

本文介绍了 BitmapManipulator 类，并深入探讨了它在 GDI+ 中的内部工作原理。希望读者在此过程中对基本的 GDI+ 编程概念有所了解，或者至少对未来与 GDI+ 的任何接触都产生了健康的规避。鼓励有雄心的读者扩展 BitmapManipulator 以执行其他有用的功能。特别是，即将发布的文章将探讨在不同颜色深度之间进行抖动的问（net.wrapper 封装 GDI+ 的功能缺失）。

历史

• 2003-9-1 首次发布