C# GDI+ 影像處理實戰：負片、灰階、亮度調整完整教學與原始碼

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前言：像素級操作的基石

數位影像本質上是像素矩陣，每個像素包含 R、G、B 三個通道（24bpp 格式）。GDI+ 的 Bitmap 雖不直接暴露像素陣列，但透過 LockBits 取得 BitmapData，配合 unsafe 指標操作，即可實現高效能的逐像素處理。本文以三個經典濾鏡——負片反轉、灰階轉換、亮度調整 為例，完整展示從 UI 到演算法的實作細節。

專案架構

主表單：繼承 Form，啟用 AutoScroll 支援大圖瀏覽，覆寫 OnPaint 繪製 Bitmap。
選單：開啟/儲存影像（支援 BMP/JPG）、三大濾鏡命令。
Filters 靜態類別：封裝三個 public static bool 方法，回傳是否成功，供 UI 決定是否 Invalidate() 重繪。

核心技術點

1. LockBits / UnlockBits 模式

BitmapData bmData = bmp.LockBits(
    new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height),
    ImageLockMode.ReadWrite,
    PixelFormat.Format24bppRgb); // 強制 24bpp，簡化指標運算

int stride = bmData.Stride;          // 一行跨度（含記憶體對齊補齊）
IntPtr scan0 = bmData.Scan0;         // 像素資料起始指標

// unsafe 區塊操作...

bmp.UnlockBits(bmData); // 必須釋放

2. 指標運算與 stride 處理

stride 可能大於 width * 3（4 位元組對齊），每行結束需跳過 nOffset = stride - width * 3 位元組。
雙層迴圈：外層 y < height，內層 x < width * 3（逐字節）或 x < width（逐像素，每次 +3 字節）。

三大濾鏡演算法詳解

1. 負片反轉

公式：newVal = 255 - oldVal，對 R、G、B 三通道獨立運算。

public static bool Invert(Bitmap bmp)
{
    var bmData = bmp.LockBits(...);
    int stride = bmData.Stride;
    IntPtr scan0 = bmData.Scan0;
    int nOffset = stride - bmp.Width * 3;

    unsafe
    {
        byte* p = (byte*)scan0;
        for (int y = 0; y < bmp.Height; y++)
        {
            for (int x = 0; x < bmp.Width * 3; x++)
            {
                p[0] = (byte)(255 - p[0]);
                p++;
            }
            p += nOffset;
        }
    }
    bmp.UnlockBits(bmData);
    return true;
}

2. 灰階轉換

依人眼對 RGB 敏感度差異，採用加權平均：
Gray = 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B
注意：GDI+ 記憶體順序為 BGR（非 RGB），讀取時須對應 p[0]=B, p[1]=G, p[2]=R。


public static bool Gray(Bitmap bmp)
{
    var bmData = bmp.LockBits(...);
    int stride = bmData.Stride;
    IntPtr scan0 = bmData.Scan0;
    int nOffset = stride - bmp.Width * 3;

    unsafe
    {
        byte* p = (byte*)scan0;
        for (int y = 0; y < bmp.Height; y++)
        {
            for (int x = 0; x < bmp.Width; x++)
            {
                byte blue  = p[0];
                byte green = p[1];
                byte red   = p[2];
                byte gray = (byte)(0.299 * red + 0.587 * green + 0.114 * blue);
                p[0] = p[1] = p[2] = gray;
                p += 3;
            }
            p += nOffset;
        }
    }
    bmp.UnlockBits(bmData);
    return true;
}

3. 亮度調整

參數 nBrightness 範圍 [-255, 255]，對每通道加上增量並 Clamp(0, 255)。


public static bool Brightness(Bitmap bmp, int nBrightness)
{
    if (nBrightness < -255 || nBrightness > 255) return false;

    var bmData = bmp.LockBits(...);
    int stride = bmData.Stride;
    IntPtr scan0 = bmData.Scan0;
    int nOffset = stride - bmp.Width * 3;

    unsafe
    {
        byte* p = (byte*)scan0;
        for (int y = 0; y < bmp.Height; y++)
        {
            for (int x = 0; x < bmp.Width * 3; x++)
            {
                int val = p[0] + nBrightness;
                if (val < 0) val = 0;
                if (val > 255) val = 255;
                p[0] = (byte)val;
                p++;
            }
            p += nOffset;
        }
    }
    bmp.UnlockBits(bmData);
    return true;
}

UI 整合範例


// 開啟影像
private void Open_Click(object sender, EventArgs e)
{
    using (var dlg = new OpenFileDialog { Filter = "影像檔|*.bmp;*.jpg;*.png" })
    if (dlg.ShowDialog() == DialogResult.OK)
    {
        _bmp = new Bitmap(dlg.FileName);
        AutoScrollMinSize = _bmp.Size;
        Invalidate();
    }
}

// 儲存影像
private void Save_Click(object sender, EventArgs e)
{
    using (var dlg = new SaveFileDialog { Filter = "BMP|*.bmp|JPG|*.jpg" })
    if (dlg.ShowDialog() == DialogResult.OK)
        _bmp.Save(dlg.FileName);
}

// 負片
private void Invert_Click(object sender, EventArgs e)
{
    if (Filters.Invert(_bmp)) Invalidate();
}

// 灰階
private void Gray_Click(object sender, EventArgs e)
{
    if (Filters.Gray(_bmp)) Invalidate();
}

// 亮度（彈出輸入對話框）
private void Brightness_Click(object sender, EventArgs e)
{
    using (var dlg = new ParameterForm()) // 自訂簡單 Form，含 NumericUpDown
    if (dlg.ShowDialog() == DialogResult.OK)
        if (Filters.Brightness(_bmp, dlg.Value)) Invalidate();
}