WPF 基礎：位圖與像素位元操作完全指南

WPF 保留模式圖形系統為 Windows 圖形程式設計帶來巨大變革。程式無需在系統要求時重繪視覺外觀，合成系統保留所有圖形數據並安排至整個視覺樹中。保留模式確實簡化工作流程，但對 Windows 程式設計師，「簡便」非首要目標。正是保留模式圖形系統與通知機制（相依性屬性）的結合，釋放 WPF 的靈活性與功能。圖形物件（路徑、筆刷）看似「存在」於合成系統中，持續回應屬性變更與圖形轉換，從而支援資料繫結與動畫。

近期發現 WPF 位圖同樣具備動態響應特性：呈現的位圖不僅回應圖形轉換，還能響應位圖中實際像素位元的變更。展現此動態響應的兩個類別是 RenderTargetBitmap 與 WriteableBitmap，均繼承自 BitmapSource（WPF 所有位圖支援的抽象基礎類別）。程式可將位圖物件與 Image 元素顯示、用 ImageBrush 製成平鋪筆刷、或用 ImageDrawing 作為大型繪圖一部分，無論何種用法，呈現後不會被忽略，位圖仍留在視覺合成系統中，持續響應應用程式變更。

RenderTargetBitmap：將 Visual 繪製至位圖

RenderTargetBitmap 透過將 Visual 類型物件傳輸至其表面進行有效繪製。建構函數需提供：像素寬高、水平/垂直解析度（DPI）、PixelFormat 物件。建立時必須使用 PixelFormats.Default 或 PixelFormats.Pbgra32，皆可建立 32-bit 透明位圖。

初始完全透明。呼叫 Render 方法傳入 Visual 物件（含 FrameworkElement、Control 等衍生類別）即可繪製。呼叫 Clear 可還原透明。若位圖正在顯示，變更立即反映。

範例：RenderTargetBitmapDemo

class RenderTargetBitmapDemo : Window {
    RenderTargetBitmap bitmap;
    public RenderTargetBitmapDemo() {
        Title = "RenderTargetBitmap Demo";
        SizeToContent = SizeToContent.WidthAndHeight;
        bitmap = new RenderTargetBitmap(1200, 900, 300, 300, PixelFormats.Default);
        Image img = new Image(); img.Stretch = Stretch.None; img.Source = bitmap; Content = img;
    }
    protected override void OnMouseDown(MouseButtonEventArgs args) {
        Point ptMouse = args.GetPosition(this);
        Random rand = new Random();
        Brush brush = new SolidColorBrush(Color.FromRgb((byte)rand.Next(256), (byte)rand.Next(256), (byte)rand.Next(256)));
        DrawingVisual vis = new DrawingVisual();
        DrawingContext dc = vis.RenderOpen();
        dc.DrawEllipse(brush, null, ptMouse, 12, 12);
        dc.Close();
        bitmap.Render(vis); // 圓形即時出現在顯示位圖上
    }
    protected override void OnClosed(EventArgs args) {
        // 以 PNG 儲存合成位圖
        PngBitmapEncoder enc = new PngBitmapEncoder();
        enc.Frames.Add(BitmapFrame.Create(bitmap));
        FileStream stream = new FileStream("RenderTargetBitmapDemo.png", FileMode.Create, FileAccess.Write);
        enc.Save(stream); stream.Close();
    }
}

建構函數指定 300 DPI，結合像素尺寸建立 4x3 英吋位圖。WPF 與裝置無關座標系統中 1 英吋 = 96 單位，故裝置無關寬度 384、高度 288（對應 Width/Height 屬性）。

Image 元素透過 OnRender 中 DrawingContext.DrawImage 顯示位圖。修改位圖時 Image 不會重複呼叫 OnRender，變更發生在視覺合成系統更深層。程式結束時以 PNG 儲存，檔案大小 1200x900 像素，每圓直徑 75 像素（300 DPI 下 1/4 英吋）。

WriteableBitmap：直接操作像素陣列

WriteableBitmap 有兩個建構函數，一個類似 RenderTargetBitmap。前四參數為像素尺寸與解析度，第五參數為 PixelFormat（比 RenderTargetBitmap 彈性大），支援調色盤格式時額外提供調色盤參數。

像素初始化為零，具體含義視像素格式而定：多為全黑，支援透明則為透明，有調色盤則顯示調色盤第一種顏色。

修改 WriteableBitmap 需呼叫 WritePixels，將本地陣列實際像素位元複製至位圖。陣列資料格式與大小必須符合位圖尺寸與像素格式。

範例：AnimatedBitmapBrush 動態平鋪筆刷

class AnimatedBitmapBrush : Window {
    const int COLS = 48, ROWS = 48;
    WriteableBitmap bitmap;
    byte[] pixels = new byte[COLS * ROWS];
    byte pixelLevel = 0x00;
    public AnimatedBitmapBrush() {
        Title = "Animated Bitmap Brush"; Width = Height = 300;
        bitmap = new WriteableBitmap(COLS, ROWS, 96, 96, PixelFormats.Gray8, null);
        ImageBrush brush = new ImageBrush(bitmap);
        brush.TileMode = TileMode.Tile;
        brush.Viewport = new Rect(0, 0, COLS, ROWS);
        brush.ViewportUnits = BrushMappingMode.Absolute;
        Background = brush;
        DispatcherTimer tmr = new DispatcherTimer();
        tmr.Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(100);
        tmr.Tick += TimerOnTick; tmr.Start();
    }
    void TimerOnTick(object sender, EventArgs args) {
        for (int row = 0; row < ROWS; row++)
            for (int col = 0; col < COLS; col++) {
                int index = row * COLS + col;
                double distanceFromCenter = 2 * Math.Max(Math.Abs(row - ROWS / 2.0) / ROWS, Math.Abs(col - COLS / 2.0) / COLS);
                pixels[index] = (byte)(0x80 * (1 + distanceFromCenter * pixelLevel));
            }
        bitmap.WritePixels(new Int32Rect(0, 0, COLS, ROWS), pixels, COLS, 0);
        pixelLevel++;
    }
}

圖 3：AnimatedBitmapBrush 顯示效果

使用 PixelFormats.Gray8（8-bit 灰階，0x00 黑、0xFF 白）。像素陣列大小 = COLS × ROWS。WritePixels 第一參數 Int32Rect 指定更新矩形子集（左上角座標、寬高）。更新整個位圖時 X=Y=0，Width/Height 設為位圖 PixelWidth/PixelHeight。後兩參數為 stride（每列位元組數）與位移。

像素陣列深度解析：Stride 與多種格式

非 1 byte/像素格式、或僅更新矩形子集時，WritePixels 較複雜。此技術關鍵在於 BitmapSource.Create、CopyPixels 同樣使用此陣列格式。

位圖總像素數由 PixelWidth、PixelHeight 決定。PixelFormat.BitsPerPixel 範圍 1-128。極端情況：1 byte 儲存 8 像素；另一極端：每像素需 16 byte。可使用 byte、ushort、uint、float 陣列。

Int32Rect 定義位圖矩形子集。像素陣列位元組數必須足夠填充指定列數與行數。複雜處在多像素格式一 byte 儲存多像素，這些格式每列資料必須從 byte 邊界開始。

例：4-bit/像素格式，矩形寬 5 高 12。Int32Rect Width=5, Height=12。第一 byte 含前 2 像素，第二 byte 含次 2 像素，第三 byte 僅含第 5 像素，第四 byte 對應第 2 列前 2 像素。每列需 3 byte，整個矩形需 36 byte。

WritePixels 需 stride 參數（每列像素資料位元組數）。常規計算：

int stride = (width * bitsPerPixel + 7) / 8;

寬度為 Int32Rect.Width。即使用 ushort/uint/float 陣列，stride 單位仍為 byte。陣列總位元組數：height * stride。若用 ushort/uint/float 陣列，分別除以 2/4/8。

Windows API 要求每列位圖資料從 32-bit 記憶體邊界開始（stride 必為 4 倍數），WPF無此要求。但為效能可將 stride 設大於計算值（如用 uint 陣列儲存 1 byte/像素位圖，每元素存 4 像素，期望每列在單位邊界開始，因對齊複製在現代硬體上通常更快）。

位圖像素格式完整圖譜

每個像素由一或多個位元表示顏色。WPF 用 PixelFormat 結構表示具體格式。靜態 PixelFormats 類定義 26 個靜態屬性供建立位圖使用。分兩組：

可寫格式	不可寫格式
Indexed1, Indexed2, Indexed4, Indexed8	Default
BlackWhite, Gray2, Gray4, Gray8	Bgr24, Rgb24
Bgr555, Bgr565	Bgr101010
Bgr32, Bgra32, Pbgra32	Cmyk32, Gray16, Rgb48, Rgba64, Prgba64
	Gray32Float, Rgb128Float, Rgba128Float, Prgba128Float

BitmapSource.Create 可用除 PixelFormats.Default 外任意屬性；WriteableBitmap 僅限可寫格式。

索引格式與灰階格式

以 Indexed 開頭格式需 ColorPalette 物件。每像素為調色盤索引，四格式分別最多關聯 2、4、16、256 色。BlackWhite、Gray2/4/8 為 1/2/4/8-bit 灰階，全 0 為黑、全 1 為白。

16-bit 色彩格式：Bgr555 / Bgr565

均為 16-bit（2 byte）/像素。Bgr555：每原色 5 位（32 階），剩 1 位。兩連續 byte 儲存三原色，綠色位跨越兩 byte。視為 16-bit 無號整數（先存低位 byte）更合理。Bgr565：綠色用 6 位（人眼對綠最敏感）。

圖 6：短整數像素格式編碼關係

32-bit 色彩格式：Bgr32 / Bgra32 / Pbgra32

每像素 4 byte。Bgr32：最後 4 byte 為 0（不透明）。Bgra32：第 4 byte 為 Alpha（0x00 透明～0xFF 不透明）。Pbgra32：預乘 Alpha（見下文）。視為 32-bit 無號整數：低 8 位藍色，高 8 位為 0 或 Alpha。byte 順序對應屬性名 B、G、R、A 順序。

高精度與浮點格式

Gray16、Rgb48、Rgba64、Prgba64：16-bit 灰階與原色，適用醫療影像等高精度需求。8-bit 顯示器或檔案格式會忽略額外精度。

四種浮點格式：基於伽瑪值 1 的 scRGB 色彩空間（非慣用伽瑪 2.2 的 sRGB）。浮點 0.0 對應 0x00，1.0 對應 0xFF，但顯示裝置浮點值可能超過 1（色域寬於視訊顯示器）。

PixelFormats 文件勘誤

Gray16、Rgb48、Rgba64、Prgba64 文件記錄有衝突（標註為伽瑪 1 卻又以 sRGB 記錄）。實際上只有浮點格式使用 scRGB/伽瑪 1，不會造成混淆。

PixelFormat.Mask 屬性提供 PixelFormatChannelMask 集合，依藍、綠、紅、Alpha 順序各有一對應物件，含 byte 集合對應像素 byte 順序。可用於通用像素拆解/構建方法。

WriteableBitmap 備用建構函數可用任意 BitmapSource 建立。實際上可先用不可寫格式建立 BitmapSource，再建立 WriteableBitmap，但會轉換為 Bgr32 或 Pbgra32（視 Alpha 狀態）。

所有位圖可儲存為 BMP、GIF、PNG、JPEG、TIFF、Windows Media Photo。過程中可能轉換格式：存 GIF 轉 Indexed8、存 JPEG 轉 Gray8/Bgr32。目前無組合能產生超過 8-bit/原色的檔案。

預乘 Alpha：提升半透明混成效能

PixelFormats 三屬性以 P 開頭表預乘 Alpha，僅適用有 Alpha 通道位圖。改進部分透明像素混成效率。

例：Color.FromArgb(128, 0, 0, 255) 半透明藍筆刷。黑背景混成 RGB (0,0,128)，白背景 (127,127,255)。標準公式：

Rresult = [(255 - Apixel) * Rsurface + Apixel * Rpixel] / 255;
Gresult = [(255 - Apixel) * Gsurface + Apixel * Gpixel] / 255;
Bresult = [(255 - Apixel) * Bsurface + Apixel * Bpixel] / 255;

若像素 R、G、B 已乘以 A 再除 255，可省去每個公式中的第二個乘法。例：Bgra32 像素 ARGB (192, 40, 60, 255) → Pbgra32 為 (192, 30, 45, 192)。RGB 已乘 Alpha 192 除 255。Pbgra32 中任像素 R/G/B 不應大於 A 值。

WriteableBitmap 應用實戰：即時影像處理與非線性轉換

應用中可利用 WriteableBitmap 顯示簡單動態圖形（如長條圖），更新速度快於 WPF 繪製向量圖形。最常見用途：即時影像處理與非線性轉換。

TwistedBitmap 專案允許載入 8/32-bit 位圖，用 Slider 控制影像圍繞中心扭曲。

圖 8：扭曲的位圖效果

使用 BitmapFrame.Create 載入檔案，CopyPixels 複製所有像素至 pixelsSrc。SliderOnValueChanged 將像素從 pixelsSrc 轉換至 pixelsNew 供 WritePixels 使用。

void SliderOnValueChanged(...) {
    // 計算目標像素對應的來源像素座標（反向轉換）
    int colSrc = (int)(xCenter + (col - xCenter) * Math.Cos(twist) - (row - yCenter) * Math.Sin(twist));
    int rowSrc = (int)(yCenter + (col - xCenter) * Math.Sin(twist) + (row - yCenter) * Math.Cos(twist));
    // 邊界限制
    colSrc = Math.Max(0, Math.Min(width - 1, colSrc));
    rowSrc = Math.Max(0, Math.Min(height - 1, rowSrc));
    // 計算索引並傳輸像素
    int index = stride * row + bytesPerPixel * col;
    int indexSrc = stride * rowSrc + bytesPerPixel * colSrc;
    for (int i = 0; i < bytesPerPixel; i++) pixelsNew[index + i] = pixelsSrc[indexSrc + i];
    bitmap.WritePixels(rect, pixelsNew, stride, 0);
}

關鍵原則：位圖轉換時必須執行反向轉換。若檢查原始位圖每像素決定其在新位圖位置，不同原始像素可能映射至同一新像素，導致新位圖某些像素無值（「孔」）。正確做法：對新位圖每個像素，計算原始位圖哪個像素映射至此，確保每個新像素都有計算值。