[Windows圖形編程]種子填充算法

        PaintBoardDemo工程到了實現填充這一步，實現算法基本選定爲種子填充算法。通過較長一段時間的反覆修正算法及調試（╮(╯▽╰)╭），如今基本已經定型了。是時候來記錄一下這個過程當中的「坎坷經歷」了。

        首先大體介紹一下種子填充算法，以下圖，基本能夠歸納爲選定屏幕中任意一點，由此爲種子，向其四周（即上下左右）「開花」（即填充），而且將上下左右各點當成種子點，直至知足If表達式的點個數爲0。

       能夠看到圖中的算法用到了遞歸，這裏，博主就迎來了須要對算法進行改進的第一個問題，即消除遞歸。也許有人會問，爲何要消除遞歸呢？這裏就牽涉到一部分操做系統的知識了，通常編譯後的程序運行時佔用的內存分爲幾個部分，其中就包含棧，堆兩個區域。棧，由編譯器自動分配釋放，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操做方式相似於數據結構中的棧。堆，通常由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收。可是它和數據結構中的堆是兩回事，分配方式卻是相似於鏈表。在函數調用時，第一個進棧的是主函數中的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址（以便在函數調用結束後，程序能從正確的地址繼續執行），而後是函數的各個參數，而後是函數的局部變量。當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。而然在Windows操做系統下，內存中分配給棧的空間是有限制的，大小在1-2MB左右。由此可想而知，若是經過遞歸來實現算法，一旦填充區域較大，致使函數N次調用，很快系統分配給棧的內存空間就會耗盡，拋出stackoverflow異常。

        這裏，咱們考慮到經過隊列來消除遞歸，即將任意一點做爲起始種子入隊，出隊進行填充，檢測該點的上下左右四個方向，將符合填充條件的點繼續入隊，直至隊列爲空，那麼目標區域就被完整填充了。

 

 1: //私有變量，用來保存起始點的顏色 

 2:  

 3: //將做爲判斷是否符合填充條件的重要依據（和起始點顏色一致即認爲須要填充） 

 4: private Color _sourcePointColor;

 5:  

 6: private Bitmap _bitmapTemp;

 7: 

 8: public void FloodFillMethod(Bitmap bitmap, Point seedPoint, Color fillColor)

 9:  

 10: {

 11:     _bitmapTemp = bitmap;

 12: 

 13:     //記錄起始點顏色 

 14:     _sourcePointColor = _bitmapTemp.GetPixel(seedPoint.X, seedPoint.Y);

 15: 

 16:     //應某人要求，不可直接使用MS的Queue<>類 

 17:  

 18:     //所以ArrayQueue爲博主本身動手寫的隊列類，各位看官請直接無視 

 19:     ArrayQueue myQueue = new ArrayQueue();

 20:     myQueue.Enqueue(seedPoint);

 21: 

 22: 

 23:     while (!myQueue.IsEmpty())

 24:     {

 25:  

 26:         Point seed = (Point)myQueue.Dequeue();

 27:         bitmap.SetPixel(seed.X, seed.Y, fillColor);

 28: 

 29:        //判斷右側點是否符合填充條件 

 30:         if (IsValidPoint(new Point(seed.X + 1, seed.Y)))

 31:             myQueue.Enqueue(new Point(seed.X + 1, seed.Y));

 32: 

 33:         //判斷左側點是否符合填充條件 

 34:         if (IsValidPoint(new Point(seed.X - 1, seed.Y)))

 35:             myQueue.Enqueue(new Point(seed.X - 1, seed.Y));

 36: 

 37:         //判斷下方點是否符合填充條件 

 38:         if (IsValidPoint(new Point(seed.X, seed.Y + 1)))

 39:             myQueue.Enqueue(new Point(seed.X, seed.Y + 1));

 40:         //判斷上方點是否符合填充條件 

 41:         if (IsValidPoint(new Point(seed.X, seed.Y - 1)))

 42:             myQueue.Enqueue(new Point(seed.X, seed.Y - 1));

 43:     }

 44: }

 45: 

 46: public bool IsValidPoint(Point seedPoint)

 47: {

 48:     Color clr = _bitmapTemp.GetPixel(seedPoint.X, seedPoint.Y);

 49:     if (clr.ToArgb() == this._sourcePointColor.ToArgb()) return true;

 50:     else return false;

 51: }

       雖然以上代碼能夠實現填充，可是在運行中也暴露出一個很嚴重的問題，就是效率極其低下，分析代碼，不難看出存在極其嚴重的重複入隊現象。後來想到，符合條件的點入隊以前，就將其進行填充，那麼再下一次的遍歷到來時，調用IsValidPoint()方法，會發現該點的顏色已經和起始點的顏色不同了，那麼也就不會入隊，從而避免了重複入隊的現象。

 1: //改進代碼以下 

 2: if(IsValidPoint(new Point(seed.X+1,seed.Y)))

 3: {

 4:    _bitmapTemp.SetPixel(seed.X+1,seed.Y,fillColor);

 5:     myQueue.Enqueue(new Point(seed.X+1,seed.Y));

 6: }

       運行以後發現，效率確實有所提高，可是仍然達不到要求。致使這個因素最主要的緣由以下：

       ● GetPixel()和SetPixel()方法效率低下，每次僅完成一個像素的讀取和寫入。而且每一次填充的完成所需完成的操做很繁雜，如CPU須要從內存中讀取某一點像素值，進行計算，寫入新的像素值到內存中（我的理解，若存在不嚴謹或錯誤之處望指出）。

       所以若是可以直接在內存中修改像素值，即將位圖數據鎖定到內存，經過指針直接訪問及修改各點的像素值，那勢必將顯著提高整個填充算法的運行效率。實現這一想法主要經過Bitmap類的LockBits方法。最終版本代碼以下：

 

 1: private Bitmap _bitmapTemp;                       //位圖對象的引用

 2:         private Color _sourcePointColor;                  //保存起始點像素顏色，通常經過鼠標點擊得到起始點座標

 3:         private IntPtr _scan0;                            //指針，用以保存位圖鎖定到內存以後第一個像素的地址

 4:         private BitmapData _bitmapdata;                   //位圖在內存鎖定以後的數據，位圖圖像的特性

 5:         private int _stride;                              //位圖對象的跨距寬度（也稱爲掃描寬度）

 6:  

 7:         //Point數組，用來表示上下左右四個方向，經過For循環實現種子點四個方向的遍歷，從而減小重複代碼。

 8:         private Point[] _fill_direction = { new Point(1, 0), new Point(-1, 0), new Point(0, 1), new Point(0, -1) };

 9:  

 10:         public void FloodFillMethod(Bitmap bitmap, Point seedPoint, Color fillColor)

 11:         {

 12:             //初始化私有變量

 13:             this._bitmapTemp = bitmap;

 14:             this._sourcePointColor = _bitmapTemp.GetPixel(seedPoint.X, seedPoint.Y);

 15: 

 16:             //關於Scan0,Stride屬性不清楚的能夠查閱MSDN

 17:             this._bitmapdata = _bitmapTemp.LockBits(new Rectangle(0, 0, _bitmapTemp.Width, _bitmapTemp.Height), ImageLockMode.ReadWrite, _bitmapTemp.PixelFormat);

 18:             this._scan0 = _bitmapdata.Scan0;

 19:             this._stride = Math.Abs(_bitmapdata.Stride);

 20:  

 21:             //設置最大填充區間，不然超出範圍時將會拋出異常

 22:             int MIN_X = 1;

 23:             int MIN_Y = 1;

 24:             int MAX_X = _bitmapTemp.Width - 1;

 25:             int MAX_Y = _bitmapTemp.Height - 1;

 26:  

 27:             ArrayQueue myQueue = new ArrayQueue();

 28:             myQueue.Enqueue(seedPoint);

 29:  

 30:             while (!myQueue.IsEmpty())

 31:             {

 32:                 Point seed = (Point)myQueue.Dequeue();

 33:  

 34:                 for (int i = 0; i < 4; i++)

 35:                 {

 36:                     int new_point_x, new_point_y;

 37:                     new_point_x = seed.X + _fill_direction[i].X;

 38:                     new_point_y = seed.Y + _fill_direction[i].Y;

 39:  

 40:                     if (new_point_x < MIN_X || new_point_x > MAX_X || new_point_y < MIN_Y || new_point_y > MAX_Y) continue;

 41:  

 42:                     //C#含有指針操做的代碼，需放在unsafe{}塊中

 43:                     unsafe

 44:                     {

 45:                         //計算新像素點在內存中的地址相對於第一個像素的偏移量

 46:                         //Y軸座標*跨距寬度+X軸座標*4（1個int變量佔4個字節）

 47:                         //能夠這樣理解，一個像素的顏色由四個份量組成，分別是Alpha透明度，Red紅色，Green綠色，Blue藍色。

 48:                         //每個份量的範圍在[0,255]，由8位二進制數表示，每一個份量各佔一個字節byte

 49:                         //所以相鄰兩個像素，在內存中的地址相差4

 50:                         int offset = new_point_y * _stride + new_point_x * 4;

 51:  

 52:                         //得到新像素點在內存中的地址

 53:                         IntPtr clr = _scan0 + offset;

 54:  

 55:                         //比較新像素點和起始點顏色的值

 56:                         if (*(int*)clr == _sourcePointColor.ToArgb())

 57:                         {

 58:                             //修改像素顏色值，即填充，而且入隊

 59:                             *(int*)clr = fillColor.ToArgb();

 60:                             myQueue.Enqueue(new Point(new_point_x, new_point_y));

 61:                         }

 62:                     }

 63:                 }

 64:             }

 65:  

 66:             //完成填充以後，解鎖數據，釋放內存

 67:             _bitmapTemp.UnlockBits(_bitmapdata);

 68:         }

       以上代碼運行效率爲：填充37W個像素點的時間在50~60ms之間，嗯，效率仍是讓人滿意的。那麼最後貼一張程序運行結果圖好啦。