[轉]用VB写高效的图像处理程序

一、为什么这么慢？
二、DIB的结构
三、DIB访问函数
四、实战练习
五、使用DIBSection和模拟指针
一、为什么这么慢？
　　自盘古开天地以来（好像夸张了点），一直有人抱怨VB程序速度慢。特别是图像处理，被认为是VB的禁区。说起来也是，市面上的关于VB的图像处理的数据都是先讲计算公式，再直接用PSet（或API函数SetPixel）逐点画（至少我见过的书都是这样）。效果是办到了，但速度慢得离谱：对一幅640*480的图像进行半透明合并就需要10秒钟；而在PhotoShop中，只要一设置图层的透明度，半透明效果立即呈现。难怪有人说VB的闲话。
　　但这并不表示VB不能写高速的图像处理程序，速度慢是因为没有使用正确的方法。
　　从VB5开始，能以本机代码编译成exe文件，所以不存在代码执行速度的问题。那么，是什么拖慢了速度呢？就是PSet和SetPixel！PSet把浮点形式的坐标转为像素单位，再交给SetPixel处理。而SetPixel呢，坐标系转化、剪裁区域判断、将颜色匹配为设备支持的最接近的，最后还要根据不同的颜色格式寻址、为将颜色写入其所在位进行位运算。经过这么多层处理，速度不慢才怪。
　　那么，怎样才能提高处理速度呢？使用DIB，直接对位图所在内存进行操作，速度可以大大提高。现在看看范例程序，这只是一个简单的色彩演示程序。
cpu:赛扬333；内存C100（很老的概念了）的SDRAM，128MB；单位:毫秒 Windows 98 Windows XP 说　明
VB_PSet 1,199.4553 786.1885 在VB使用 PSet 画的
VB_SetPixel 872.3621 451.3712 在VB使用 SetPixelV 画的
VB_DIB 8.2218 8.2226 在VB使用 DIB 画的
VB_DIB_Ptr 9.6783 9.4420 在VB使用 DIBSection + 模拟指针 画的
VC(Debug) 6.6896 6.6503 VC写的（Debug版）
VC(Release) 3.2736 3.6247 VC写的（Release版）
　　从这个表中可看出：
　　1.VC比VB_DIB、VB_DIB_Ptr快两倍，这是因为SafeArray结构的数组比真正的指针慢，但也不是某些人所说的70~100倍；
　　2.VB_DIB_Ptr比VB_DIB慢一点，这是因为模拟指针本来就是靠SafeArray结构的数组，而且模拟指针需要对两个数组进行操作，所以速度慢一点；
　　3.真正差了70~100倍是VB_PSet和VB_SetPixel，特别是VB_PSet在Windows98下与VB_DIB差了145倍。
　　以上可证，速度慢的原因是SetPixel非常低效，而并不是VB的问题。虽然VC的的确比较快，但是我写这篇文章不是为了讨论速度极限（否则这篇文章会改名为《如何用汇编写高速的图像处理程序》），而是为了告诉大家如何在VB中写能够实时处理的图像处理程序。
二、DIB的结构
　　在 Windows 3.0 以前，Windows系统用的是DDB（设备有关位图）。DDB没有调色板，显示的颜色依赖硬件，处理色彩很不方便。所以 Microsoft 在 Windows 3.0中 重新定义了BMP文件格式（BMP 3.0），使其支持设备无关位图——也就是DIB。
　　时至今日，BMP的版本号已升至5.0（Windows NT 4.0、Windows95 定义了 BMP 4.0，Windows 98、Windows 2000 定义了 BMP 5.0），但基本结构没有变——仍是 BMP文件头 和 DIB 组成：
BMP文件 BITMAPFILEHEADER BMP文件头
DIB BITMAPINFOHEADER 位图信息头 BITMAPINFO
RGBQUAD[] 调色板
位图数据
（#代表可以不填(=0)的项目）
BMP文件头——BITMAPFILEHEADER 原型定义：
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { // bmfh
WORD bfType;
DWORD bfSize;
WORD bfReserved1;
WORD bfReserved2;
DWORD bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;

VB声明：
Type BITMAPFILEHEADER
bfType(0 to 1) As Byte
bfSize As Long
bfReserved1 As Integer
bfReserved2 As Integer
bfOffBits As Long
End Type

说明：
bfType 指示文件的类型，必须是“BM”
bfSize# 指示文件的大小，包括BITMAPFILEHEADER
bfReserved1 bfReserved2 保留，=0
bfOffBits# 从文件头到位图数据的偏移字节数
文件信息头——BITMAPINFOHEADER 原型定义：
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{ // bmih
DWORD biSize;
LONG biWidth;
LONG biHeight;
WORD biPlanes;
WORD biBitCount;
DWORD biCompression;
DWORD biSizeImage;
LONG biXPelsPerMeter;
LONG biYPelsPerMeter;
DWORD biClrUsed;
DWORD biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER;

VB声明：
Type BITMAPINFOHEADER
biSize As Long
biWidth As Long
biHeight As Long
biPlanes As Integer
biBitCount As Integer
biCompression As Long
biSizeImage As Long
biXPelsPerMeter As Long
biYPelsPerMeter As Long
biClrUsed As Long
biClrImportant As Long
End Type

说明：
biSize BITMAPINFOHEADER结构的大小。BMP有多个版本，就靠biSize来区别：
　　BMP3.0：BITMAPINFOHEADER（=40）
　　BMP4.0：BITMAPV4HEADER（=108）
　　BMP5.0：BITMAPV5HEADER（=124）
biWidth 位图的高度，单位是像素
biHeight 位图的宽度，单位是像素
biPlanes 设备的位平面数。现在都是1
biBitCount 图像的颜色位数
　　 0：当biCompression=BI_JPEG时必须为0（BMP 5.0）
　　 1：单色位图
　　 4：16色位图
　　 8：256色位图
　　16：增强色位图，默认为555格式
　　24：真彩色位图
　　32：32位位图，默认情况下Windows不会处理最高8位，可以将它作为自己的Alpha通道
biCompression 压缩方式
　　BI_RGB：无压缩
　　BI_RLE8：行程编码压缩，biBitCount必须等于8
　　BI_RLE4：行程编码压缩，biBitCount必须等于4
　　BI_BITFIELDS：指定RGB掩码，biBitCount必须等于16、32
　　BI_JPEG：JPEG压缩（BMP 5.0）
　　BI_PNG：PNG压缩（BMP 5.0）
biSizeImage# 实际的位图数据所占字节（biCompression=BI_RGB时可以省略）
biXPelsPerMeter# 目标设备的水平分辨率，单位是每米的像素个数
biYPelsPerMeter# 目标设备的垂直分辨率，单位是每米的像素个数
biClrUsed# 使用的颜色数（当biBitCount等于1、4、8时才有效）。如果该项为0，表示颜色数为2^biBitCount
biClrImportant# 重要的颜色数。如果该项为0，表示所有颜色都是重要的
调色板
　　只有biBitCount等于1、4、8时才有调色板。调色板实际上是一个数组，元素的个数由biBitCount和biClrUsed决定。 原型定义：
typedef struct tagRGBQUAD { // rgbq
BYTE rgbBlue;
BYTE rgbGreen;
BYTE rgbRed;
BYTE rgbReserved;
} RGBQUAD;

VB声明：
Private Type RGBQUAD
rgbBlue As Byte
rgbGreen As Byte
rgbRed As Byte
rgbReserved As Byte
End Type

说明：
rgbBlue 蓝色分量
rgbGreen 绿色分量
rgbRed 红色分量
rgbReserved# 保留，=0
位图数据 ◆扫描行：
　　一行的图像数据叫做一个扫描行。一个扫描行的长度必须是4的倍数（字节），如果不是，则需要补齐。计算公式：LineBytes=((biWidth*biBitCount+31)And &HFFFFFFE0)\8
　　由于BMP设定者认为数学坐标系更总要，所以DIB的扫描行是逆序存储的（相对于屏幕坐标系而言），即屏幕上的第一行是DIB位图数据的最后一行。
◆1位色：
　　用1位表示一个像素，所以一个字节可以表示8个像素。坐标是从最左边（最高位）开始的，而不是一般情况下的最低位。在内存的摆放形式如下： 字节 0 ...
位 7 6 5 4 3 2 1 0
像素 0 1 2 3 4 5 6 7

◆4位色：
　　用4位表示一个像素，所以一个字节可以表示2个像素。坐标是从最左边（最高位）开始的，而不是一般情况下的最低位。在内存的摆放形式如下： 字节 0 ...
位 7 6 5 4 3 2 1 0
像素 0 1
像素位 3 2 1 0 3 2 1 0

◆8位色：
　　用8位表示一个像素，所以一个字节刚好只能表示一个像素。在内存的摆放形式如下： 字节 0 1 ...
像素 0 1

◆16位色：
　　用16位表示一个像素，所以两个字节可以表示1个像素。默认情况下16位DIB是555格式，最高位无效（这对VB是个福音，因为VB没有16位无符号型）。在内存的摆放形式如下（PC机是低字节在前）： 字节 0 1 2 3 ...
位 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0
像素 0 1
RGB G B x R G G B x R G
RGB位 2 1 0 4 3 2 1 0 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 0 4 3 2 1 0 4 3

◆24位色：
　　用24位表示一个像素，所以三个字节可以表示1个像素。注意它的顺序是BGR，而不是传统的RGB。在内存的摆放形式如下： 字节 0 1 2 3 4 5 ...
像素 0 1
RGB B G R B G R

◆32位色：
　　用32位表示一个像素，所以四个字节可以表示1个像素。注意绝大多数的GDI函数不会处理Alpha通道（只有AlphaBlend支持）。在内存的摆放形式如下： 字节 0 1 2 3 4 5 6 7 ...
像素 0 1
RGB B G R A B G R A

三、DIB访问函数
SetDIBitsToDevice 原型定义：
int SetDIBitsToDevice(
HDC hDC,// handle to device context
int XDest,// x-coordinate of upper-left corner of dest. rect.
int YDest,// y-coordinate of upper-left corner of dest. rect.
DWORD dwWidth,// source rectangle width
DWORD dwHeight,// source rectangle height
int XSrc,// x-coordinate of lower-left corner of source rect.
int YSrc,// y-coordinate of lower-left corner of source rect.
UINT uStartScan,// first scan line in array
UINT cScanLines,// number of scan lines
CONST VOID *lpvBits,// address of array with DIB bits
CONST BITMAPINFO *lpbmi,// address of structure with bitmap info.
UINT fuColorUse // RGB or palette indexes
);

VB声明：
Declare Function SetDIBitsToDevice Lib "gdi32.dll" (ByVal hDC As Long,ByVal XDest As Long,ByVal YDest As Long,ByVal dwWidth As Long,ByVal dwHeight As Long,ByVal XSrc As Long,ByVal YSrc As Long,ByVal uStartScan As Long,ByVal cScanLines As Long,lpvBits As Any,lpbmi As Any,ByVal fuColorUse As Long) As Long
说明：
将一幅与设备无关位图的全部或部分数据直接复制到一个设备。这个函数在设备中定义了一个目标矩形，以便接收位图数据。它也在DIB中定义了一个源矩形，以便从中提取数据
返回值：
如函数执行成功，返回欲复制的扫描线的数量；如返回常数GDI_ERROR，表示出错
参数：
hDC 一个设备场景的句柄。该场景用于接收位图数据
XDest 指定绘制区域的左上角X坐标
YDest 指定绘制区域的左上角Y坐标
dwWidth 指定绘制区域的高度
dwHeight 指定绘制区域的宽度
XSrc 矩形在DIB中的起点X坐标
YSrc 矩形在DIB中的起点Y坐标
uStartScan lpvBits中第一条扫描线的编号。如lpbmi之BITMAPINFOHEADER部分的biHeight字段是正数，那么这条扫描线就会从位图的底部开始计算；如果是负数，就从顶部开始计算
cScanLines 欲复制的扫描线数量
lpvBits 指向一个缓冲区的指针。这个缓冲区包含了以DIB格式描述的位图数据；这种格式是由lpbmi指定的
lpbmi 指向BITMAPINFO（为兼容BMP4/5而声明成Any），对DIB的格式和颜色进行描述的一个结构
fuColorUse DIB_PAL_COLORS 颜色表是一个整数数组，其中包含了与目前选入hDC设备场景的调色板相关的索引
DIB_RGB_COLORS 颜色表包含了RGB颜色

StretchDIBits 原型定义：
int StretchDIBits(
HDC hDC,// x-coordinate of upper-left corner of dest. rectangle
int YDest,// y-coordinate of upper-left corner of dest. rectangle
int nDestWidth,// width of destination rectangle

四、实战练习
　　用DIB写图像处理程序的时候，首先要明确一点：DIB并不是图像处理算法，而是一种绘图方法。处理算法比DIB高一级，管理坐标和颜色的运算；而DIB只是为了绘制。所以此时处理算法的效率是速度的关键。
　　利用DIB绘制图像并没有比用PSet/SetPixel绘制差多少，它只是把坐标运算改成地址运算而已。很多人知道指针是一个危险的东西，就是因为它能直接访问内存，如果指针不小心指错地方的话，Windows立即报告一般保护性错误。所以，在地址运算的时候一定要小心，同时要注意随时保存，因为此时的非法操作的发生率非常高，否则辛辛苦苦写的代码一瞬间没了可别怪我没提醒啊。
好了，现在开始！
　　由于处理算法起指导作用，所以现在先讲解VB_PSet。所有的代码都在FrmMain.frm中。其他的过程的代码可以不看，现在将注意力集中在“DrawIt”中，它就是管绘制的。
　　其实我这个演示程序蛮简单的：R分量延着水平方向增加，G分量延着垂直方向增加，B分量则从右往左滚动。什么？！“And &HFF”是什么意思？！这可是基础啊……（下略&HFFFF...字）。“&H”表示十六进制数，而And表示按位与。&HFF是二进制的“1111 1111”，正好覆盖了低8位，这时用And进行按位与，只会得到低8位，与RGB分量需要的8位正好符合（对于“(J + K) And &HFF”来说，可以实现滚动效果）。
　　If Not 看明白了 Then Goto 前两段
　　好！现在打开VB_DIB。（由于24位能直接指定RGB分量，所以这里是用的是24位DIB）
　　看了前面的“DIB的结构”，是不是有点昏呢？其实DIB也没什么，就是 一个表述位图信息的BITMAPINFO结构 和 一个存储位图数据的数据缓冲区，顶多再用SetDIBitsToDevice绘制，所以VB_DIB与VB_PSet相比只是多了SetDIBitsToDevice、BITMAPINFOHEADER（24位DIB没有调色板，所以用BITMAPINFOHEADER就行）和一些常数的声明而已。由于这个演示程序不需要改变图像大小和色深，所以可以把有关变量作为窗体级变量，再在Form_Load中初始化。由于DIB并没有向系统申请资源（数组的内存是VB分配的，会自动释放），所以不需要写释放代码。
　　现在来看DrawIt。
　　1.虽然可以逐点把坐标映射成地址再写，但是这样效率太低了，可以利用坐标处理的连续性进行优化。
　　2.由于我这里用的是数组，所以这里用（数组元素）索引代替地址。
　　3.最开始要注意DIB是逆序存储的，要将索引设为最后一行第一个像素的索引。
　　4.由于DIB的RGB顺序是B、G、R，所以“MapData(CurIdx + ?)”的顺序是2、1、0。
　　5.设置好一个像素的颜色后，要注意把索引改为下个像素的索引。
　　6.由于DIB是逆序存储的，移到下一个扫描行是“LineIdx = LineIdx - LineBytes”
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　　“好了，代码看懂了，按F5运行看看效果。”
　　“咦？速度好像没快多少啊？”
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　　这是由于程序在VB环境下是以解释方式运行的，而解释方式对做图像处理所需要大规模循环和大量的算术运算的执行效率很低，所以要编译成（本机代码）exe再运行。此时还要注意编译优化，可以把“高级优化”的所有勾打上，速度可提升20%左右。
五、使用DIBSection和模拟指针
　　虽然有GetDIBits/SetDIBits函数，但是DIB与GDI位图之间的数据交换还是很不方便，特别处理过程中需要调用GDI函数来处理的时候。而且就算你不怕麻烦，但这样做的处理效率很低。所以Windows为我们提供了DIBSection。DIBSection是一种特殊的DIB，它除了可以像DIB一样直接对位图数据所占内存进行操作，它还可以选入DC、能用GDI函数绘制，非常灵活。但在VB下使用DIBSection还是有困难的，因为用CreateDIBSection创建DIBSection时，得到的是位图数据的地址，而VB没有指针。
　　所幸在VB下可以利用SafeArray结构的数组模拟指针。关于模拟指针的原理、方法，网上的资料多的是，比如AdamBear的文章“VB真是想不到系列之四：VB指针葵花宝典之SafeArray”。但这些文章都只是讲一般性的应用，不能像真正的指针一样随意改变地址（他们都是使用CopyMemory改的）。而在图像处理中，由于点运算的频繁，“像真正的指针一样随意改变地址”的功能很重要。
　　其实“像真正的指针一样随意改变地址”并没有技术难度（对于已经学会模拟指针的人来说），就看想得到不：再用一个数组（设pDataPtr）控制模拟指针（设pData）的地址，这样可以用pDataPtr控制地址，用pData访问数据。
　　由于需要建立两个模拟指针，导致代码写起来比较烦，于是我想写个“模拟指针代码生成器”（在（ImgTest.zip的）MakeSAPtr目录中）。虽然模拟指针建立方法有很多种，但是大多需要临时变量来保存地址，不适合批量生成，所以我只有改成这种方法（指“模拟指针代码生成器”自动生成的那种）。这种方法也许对 通过看AdamBear的文章学模拟指针的人 会造成困惑，这是因为AdamBear在说明VarPtrArray返回的值是SafeArray的地址的地址时没讲全：VarPtrArray返回的值 是 VB存储数组信息的变量的地址，可通过改变该变量的值使数组用另一个SafeArray。
　　现在来看VB_DIB_Ptr：
　　1.为了演示DIBSection能够像HBITMAP一样，我在Form_Load中创建了DC、将DIBSection选入DC。同时为了释放，Form_UnLoad中写了释放代码。
　　2.在DrawIt中，注意处理部分的代码并没有与VB_DIB差多少，只不过把索引计算改为地址运算而已。