[C#] 영상의 휘도 값 취득 속도 비교

C#에서 영상의 휘도 값을 취득하거나 설정할 때, GetPixel, SetPixel 방식을 사용하면 속도가 늦어지기 때문에 LockBits ~ UnlockBits에 버튼을 노출시켜 휘도를 취득하거나 설정하는 것이 일반적입니다. 이번 시간에는 여러가지 처리 방법을 이용했을 때의 처리 시간을 비교해 보았습니다.

Testing Environment
OS	Windows10 64bit ver.1809
CPU	Intel Core i7-7700K 4.2GHz
Memory	32GB
.NET Framework	4.5.2
플랫폼	Any CPU (32Bit 우선)
평가영상	JPEG 6,000 x 4,000px 24bit Color

테스트는 컬러영상의 휘도 값을 R,G,B로 각각 취득하고 명암 값을 반전하여 휘도 값을 다시 대입하는 프로그램을 사용하였습니다.

처리결과는 아래와 같이 밝음→어두움→밝음→어두움을 반복하도록 하였습니다.
처리 시간 : 5번 반복 처리 시의 평균 시간을 측정하였습니다.

1. GetPixel, SetPixel을 사용한 방법

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2. LockBits~UnlockBits에서 포인터（Scan0）을 취득하고 데이터를 복사하여 처리한 후,
결과를 기준으로 재복사 하는 방법

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/// <summary>
/// Lock Bits, Unlock Bits에서 영상 데이터를 포인트로 취득하고 배열 순으로 처리 
/// </summary>
/// <param name="bmp"></param>
private void NegativeImage2(Bitmap bmp)
{
var width = bmp.Width;
var height = bmp.Height;
// Bitmap를 Lock
var bmpData = bmp.LockBits(
new Rectangle(0, 0, width, height),
System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite,
bmp.PixelFormat
);
// 메모리 폭의 Byte 수를 취득
var stride = Math.Abs(bmpData.Stride);
// 영상 데이터 저장용 배열
var data = new byte[stride * bmpData.Height];
// Bitmap데이터를 복사
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(
bmpData.Scan0,
data,
0,
stride * bmpData.Height
);
byte r, g, b;
int lineIndex = 0;
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for (int x = 0; x < width * 3; x += 3)
{
// 휘도 값 취득
r = data[lineIndex + x + 2];
g = data[lineIndex + x + 1];
b = data[lineIndex + x]; ;
// 휘도 값 설정
data[lineIndex + x + 2] = (byte)(255 - r);
data[lineIndex + x + 1] = (byte)(255 - g);
data[lineIndex + x] = (byte)(255 - b);
}
lineIndex += stride;
}
// 배열을 Bitmap 데이터로 복사
System.Runtime.InteropServices.Marshal.Copy(
data,
0,
bmpData.Scan0,
stride * bmpData.Height
);
// Unlock
bmp.UnlockBits(bmpData);
}
평균 처리 시간은 101msec

3. Marshal클래스의 ReadByte, WriteByte 방법으로 포인터(Scan0)에 직접 값을 읽고 쓰는 방법

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/// <summary>
/// Marshal클래스의 ReadByte, WriteByte로 휘도 값을 취득하는 방법
/// </summary>
/// <param name="bmp"></param>
private void NegativeImage3(Bitmap bmp)
{
var width = bmp.Width;
var height = bmp.Height;
// Bitmap를 Lock
var bmpData = bmp.LockBits(
new Rectangle(0, 0, width, height),
System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite,
bmp.PixelFormat
);
// 메모리 폭의 Byte수를 취득
var stride = Math.Abs(bmpData.Stride);
byte r, g, b;
int lineIndex = 0;
var ptr = bmpData.Scan0;
for (int y = 0; y < height; y++)
{
for (int x = 0; x < width * 3; x += 3)
{
// 휘도 값을 취득
r = System.Runtime.InteropServices.Marshal.ReadByte(ptr, lineIndex + x + 2);
g = System.Runtime.InteropServices.Marshal.ReadByte(ptr, lineIndex + x + 1);
b = System.Runtime.InteropServices.Marshal.ReadByte(ptr, lineIndex + x);
// 휘도 값 설정
System.Runtime.InteropServices.Marshal.WriteByte(ptr, lineIndex + x + 2, (byte)(255 - r));
System.Runtime.InteropServices.Marshal.WriteByte(ptr, lineIndex + x + 1, (byte)(255 - g));
System.Runtime.InteropServices.Marshal.WriteByte(ptr, lineIndex + x, (byte)(255 - b));
}
lineIndex += stride;
}
// Unlock
bmp.UnlockBits(bmpData);

평균 처리 시간은273.6msec

4. Unsafe를 사용한 포인터(Scan0)을 직접 읽고 쓰는 방법

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5. 포인터로 읽고 쓰며 Parallel.For을 사용하여 처리를 병렬화 하는 방법

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6. 처리를 불러오는 프로그램

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pictureBox1.SizeMode = PictureBoxSizeMode.Zoom;
var bmp = new Bitmap(@"C:\Temp\syurijou.JPG"); // 6000 x 4000 x 24bit
pictureBox1.Image = bmp;
var sw = new System.Diagnostics.Stopwatch();
MessageBox.Show("개시");
sw.Start();
// GetPixel、SetPixel
NegativeImage1(bmp);
sw.Stop();
pictureBox1.Refresh();
MessageBox.Show($"NegativeImage1: {sw.ElapsedMilliseconds} msec");
sw.Reset();
sw.Start();
// 배열을 고려한 방법
NegativeImage2(bmp);
sw.Stop();
pictureBox1.Refresh();
MessageBox.Show($"NegativeImage2: {sw.ElapsedMilliseconds} msec");
sw.Reset();
sw.Start();
// MershalのReadByte、WriteByte
NegativeImage3(bmp);
sw.Stop();
pictureBox1.Refresh();
MessageBox.Show($"NegativeImage3: {sw.ElapsedMilliseconds} msec");
sw.Reset();
sw.Start();
// usafe의 포인터
NegativeImage4(bmp);
sw.Stop();
pictureBox1.Refresh();
MessageBox.Show($"NegativeImage4: {sw.ElapsedMilliseconds} msec");
sw.Reset();
sw.Start();
// usafe 포인터의 병렬처리
NegativeImage5(bmp);
sw.Stop();
pictureBox1.Refresh();
MessageBox.Show($"NegativeImage5: {sw.ElapsedMilliseconds} msec");

결론

처리방법에 따른 처리시간

처리방법에 따른 처리시간은 아래와 같이 버전과 Bit에 따라 상이했습니다.
32Bit 동작 시, .NET Framework의 4.5.2와 4.7.2에서의 차이는 크게 없었지만, 같은 .NET Framework의 버전에서 32bit와 64Bit 동작을 비교해보면, 64Bit에서 조금 빠른 결과를 얻을 수 있었습니다.

.NET Framework 4.5.2 – 32Bit 기준

방법	처리시간 (ms)
GetPixel, SetPixel	27,439
LockBits, UnlockBits로 배열을 고려한 처리	101
Marshal 클래스의 ReadByte, WriteByte	273.6
Unsafe 포인터로 처리	25.4
Unsafe 포인터로 병렬처리	11.4

.NET Framework 4.7.2 – 32Bit 기준

방법	처리시간 (ms)
GetPixel, SetPixel	27,293.4
LockBits, UnlockBits로 배열을 고려한 처리	101.8
Marshal 클래스의 ReadByte, WriteByte	290.8
Unsafe 포인터로 처리	24.4
Unsafe 포인터로 병렬처리	9.8

.NET Framework 4.7.2 – 64bit 기준

방법	처리시간 (ms)
GetPixel, SetPixel	21,281.2
LockBits, UnlockBits로 배열을 고려한 처리	85.4
Marshal 클래스의 ReadByte, WriteByte	213.6
Unsafe 포인터로 처리	27.2
Unsafe 포인터로 병렬처리	9.2

[참고 및 주의사항]

본 블로그의 내용은 본사 AVALDATA의 소프트웨어 엔지니어인 Akira Yaskawa씨가 운영하는 블로그(Imaging Solution.net)에서 발췌한 것으로, 추가 정보가 필요할 경우 Yaskawa 씨의 블로그를 참고하시기 바랍니다.
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