GDI+ 位图读写速度测试

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Init. on 25 Aug. 2012
SN 128.2

本文仅测试 GDI+ 下 Bitmap 像素读写操作。若需极致的速度提升，建议参考 MMX/SSE 指令调用或利用 CUDA 等技术增加参与处理的核心数量。

使用 Bitmap.GetPixel 或 Bitmap.SetPixel 方法读写位图会消耗大量时间。因此，一般会将位图操作聚在一处然后对其内存锁定后再行读取，以加快操作速度——减少了安全检查的消耗。较为典型的例子有 MSDN 给出的如下代码。

private void LockUnlockBitsExample(PaintEventArgs e) {
	// 读入位图
	Bitmap bmp = new Bitmap("<img_path>");
	// 锁定
	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);
	// 首行指针
	IntPtr ptr = bmpData.Scan0;
	// 新建位图像素数组
	int bytes  = Math.Abs(bmpData.Stride) * bmp.Height;
	byte[] rgbValues = new byte[bytes];
	// 复制像素 RGB 值
	System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0, bytes);
    // 将所有像素 R 值设为 255（最大），图会变红
	for (int counter = 2; counter < rgbValues.Length; counter += 3)
	    rgbValues[counter] = 255;
	// 将修改后的像素数组写回位图
	System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(rgbValues, 0, ptr, bytes);
	// 解锁
	bmp.UnlockBits(bmpData);
	// 绘出位图
	e.Graphics.DrawImage(bmp, 0, 150);
}

这一示例按以下流程完成对位图的修改。

对比未锁定内存的普通处理方式，图 1 展示了这个比较的过程。

图 1. 测试程序截图

为减少变量影响，所有测试均在单颗 CPU 核心上运行（图 2）。

图 2. 单核运行测试程序

测试用例均为 1:1 长宽比的 24bpp 位图，从 64 x 64 像素（13 KB）到 8192 x 8192 像素（196 MB）列于图 3。

图 3. 测试用例

得到列于图 4 的测试结果。

图 4. 测试结果

可见，平均性能提升约 800% 至 2300%，得到极大提升。

测试程序下载：点击下载

后记

有杠精朋友指出：

这种 LockBits 是不适合……要玩速度……考虑用汇编进一步优化……比如，最简单的反色算法，3000400024 的图像，一般的语言要100 ms 左右的处理时间，用汇编的话 20 ms 够了……

废不废话先不谈，这位朋友似乎对理解我写的文字这件事上有点困难，得出了我在追求绝对速度的结论。无所谓，那么我就来试试不用汇编，反色能做到多快。

测试用例选为 #7 4096 x 4096，大于汇编爱好者举例的 3000 x 4000 @ 24bpp 图像。大了一些，但是不多。

测试用平台：Intel i3 380M (2.53 GHz)/4 GB DDR3-1333/Win7 32bit

采取临时锁内存方式处理反色操作，代码无优化，用时约 300 ms，如图 5。

图 5. 第一次位图反色用时测试（4096 x 4096 @ 24bpp）

简单优化变量使用和循环效率，第二次测试用时约 250 ms，速度提升了约 50 ms （17%），如图 6。

图 6. 第二次位图反色用时测试（4096 x 4096 @ 24bpp）

这个结果比起“一般的语言 100 ms 左右”还相差甚远。引入并行计算后，测试用时低于 50 ms，效率较无优化测试提升 500%，较为接近“用汇编的话 20 ms 够了”的程度（图 7）。

图 7. 第三次位图反色用时测试（4096 x 4096 @ 24bpp）

当然，这个结果和测试平台强关联，换一颗强劲的 CPU 以上的测试都将成为笑话🤡。

网友参与

在这位朋友跟我抬杠的过程中，网友们纷纷下场凑热闹，给出一些他们的测试方法和结果。现将投稿中较高速度的结果列举如下。

本文测试

实现：原生 C#
配置：本文平台
用时：46 ms

测试 1

投稿：laviewpbt（ImageWizard 开发者）
实现：汇编/VB.NET
配置：同本文平台
用时：25 ms

测试 2

投稿：兰征鹏（C/C++ 领域技术专家，创意鹰翔技术大拿）
实现：VC++.NET 调用 SSE 指令
配置：i7 860 (2.93 GHz)/12 GB DDR3-1333/Win7 64bit
用时：12 ms 至 19 ms
注：该测试平台性能约为本文平台 3 倍，未考虑内存影响。参见 UserBenchmark

测试 3

投稿：xiaotie（Geb.Image 开发者）
实现：自定义图像库/C# 指针
配置：优于 测试 1
用时：33 ms

大家玩得还挺开心的。

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