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Create Indexed PNG Using C# .Net

Currently I am working on optimizing image size. In this post, I will demonstrate the C# code for creating indexed png image.
The code might not be perfect yet, but hope this code will give you some hints ;)

A few things I am struggling with while I am writing the example code:

  • Palette: you should take ColorPalette from Bitmap, modify the ColorPalette object and set buck it to the Bitmap object.
  • BitmapData.Stride is often bigger than BitmapData.Width. You should be careful to check both values difference when you manipulating the image array index.
  • The example code uses classes in System.Drawing namespace. But looks there is another option to manipulate image in C# .Net - System.Windows.Media namespace.

C# Source Code for Creating Indexed PNG

  • The following implementation of CreateIndexedPng method is able to take only non-indexed image like Format24bppRgb or Format32bppArgb. (I might add other image formats in future.)
  • If the source image has only 2 colors, we can use Format1bppIndexed, but the following code apply Format1bppIndexed in that case because of the code simplicity.
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Drawing;
using System.Drawing.Imaging;
using System.Drawing.Drawing2D;
using System.IO;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace Utility
{
    public static class ImageUtils
    {
        const int ALPHA_255 = 255 << 24;

        public static Bitmap CreateIndexedPng(this Bitmap orig)
        {
            var rgbValues = orig.ToByteArray();
            var block = orig.DetermineBlockSize();
            var colorSet = CreateColorSet(rgbValues, block, orig.Width, orig.Height);

            var result = new Bitmap(orig.Width, orig.Height, determinePixelFormat(colorSet.Count));

            // setup palette and color map
            var pal = result.Palette;
            var colorToIndex = new Dictionary<int, int>();
            int index = 0;
            foreach (int color in colorSet)
            {
                pal.Entries[index] = Color.FromArgb(color);
                colorToIndex[color] = index;
                index++;
            }
            result.Palette = pal;

            // fill bits
            var data = result.LockBits(new Rectangle(0, 0, result.Width, result.Height),
                ImageLockMode.ReadWrite, result.PixelFormat);

            byte[] colorData = new byte[data.Stride * data.Height];
            int len = rgbValues.Length;
            if (block == 3)
            {
                if (result.PixelFormat == PixelFormat.Format8bppIndexed)
                {
                    fillBitmapData8bppIndexedNoAlpha(rgbValues, colorToIndex, colorData, len, orig.Width, orig.Height, data.Stride);
                }
                else if(result.PixelFormat == PixelFormat.Format4bppIndexed)
                {
                    fillBitmapData4bppIndexedNoAlpha(rgbValues, colorToIndex, data, colorData, len, orig.Width);
                }
                else if (result.PixelFormat == PixelFormat.Format1bppIndexed)
                {
                    throw new NotImplementedException(PixelFormat.Format1bppIndexed + " is not supported");
                }
            }
            else
            {
                if (result.PixelFormat == PixelFormat.Format8bppIndexed)
                {
                    fillBitmapData8bppIndexedAlpha(rgbValues, colorToIndex, colorData, len, orig.Width, orig.Height, data.Stride);
                }
                else if (result.PixelFormat == PixelFormat.Format4bppIndexed)
                {
                    fillBitmapData4bppIndexedAlpha(rgbValues, colorToIndex, colorData, len, orig.Width, orig.Height, data.Stride);
                }
                else if (result.PixelFormat == PixelFormat.Format1bppIndexed)
                {
                    throw new NotImplementedException(PixelFormat.Format1bppIndexed + " is not supported");
                }
            }

            Marshal.Copy(colorData, 0, data.Scan0, colorData.Length);

            result.UnlockBits(data);

            return result;
        }

        private static void fillBitmapData8bppIndexedAlpha(byte[] rgbValues, Dictionary<int, int> colorToIndex, 
                                                              byte[] colorData, int len, int width, int height, int outStride)
        {
            int stride = len / height;
            int colLimit = width * 4;

            for (int row = 0; row < height; row++)
            {
                for (int col = 0; col < colLimit; col += 4)
                {
                    int offset = row * stride + col;
                    int b = rgbValues[offset];
                    int g = rgbValues[offset + 1];
                    int r = rgbValues[offset + 2];
                    int a = rgbValues[offset + 3];
                    int index = row * outStride + col / 4;
                    colorData[index] = (byte)colorToIndex[to32BitIntARGB(a, r, g, b)];
                }
            }
        }

        private static void fillBitmapData4bppIndexedAlpha(byte[] rgbValues, Dictionary colorToIndex, byte[] colorData, int len, int width, int height, int outStride)
        {
            int stride = len / height;
            int colLimit = width * 4;

            for (int row = 0; row < height; row++)
            {
                for (int col = 0; col < colLimit; col += 8)
                {
                    int offset = row * stride + col;
                    int b = rgbValues[offset];
                    int g = rgbValues[offset + 1];
                    int r = rgbValues[offset + 2];
                    int a = rgbValues[offset + 3];
                    int color1 = to32BitIntARGB(a, r, g, b);
                    if (col / 4 + 1 >= width)
                    {
                        int index1 = row * outStride + col / 8;
                        colorData[index1] = (byte)(colorToIndex[color1] << 4);
                        continue;
                    }

                    b = rgbValues[offset + 4];
                    g = rgbValues[offset + 5];
                    r = rgbValues[offset + 6];
                    a = rgbValues[offset + 7];
                    int color2 = to32BitIntARGB(a, r, g, b);
                    int index2 = row * outStride + col / 8;
                    colorData[index2] = (byte)(colorToIndex[color1] << 4 | colorToIndex[color2]);
               }
            }
        }

        private static void fillBitmapData8bppIndexedNoAlpha(byte[] rgbValues, Dictionary<int, int> colorToIndex, 
                                                                byte[] colorData, int len, int width, int height, int outStride)
        {
            int stride = len / height;
            int colLimit = width * 3;

            for (int row = 0; row < height; row++)
            {
                for (int col = 0; col < colLimit; col += 3)
                {
                    int offset = row * stride + col;
                    int b = rgbValues[offset];
                    int g = rgbValues[offset + 1];
                    int r = rgbValues[offset + 2];
                    int index = row * outStride + col / 3;
                    colorData[index] = (byte)colorToIndex[to32BitIntARGB(r, g, b)];
                }
            }
        }

        private static void fillBitmapData4bppIndexedNoAlpha(byte[] rgbValues, Dictionary<int, int> colorToIndex, 
                                                                          BitmapData data, byte[] colorData, int len, int width)
        {
            int outStride = data.Stride;
            int height = data.Height;
            int stride = len / height;
            int colLimit = width * 3;

            for (int row = 0; row < height; row++)
            {
                for (int col = 0; col < colLimit; col += 6)
                {
                    int offset = row * stride + col;
                    int b = rgbValues[offset];
                    int g = rgbValues[offset + 1];
                    int r = rgbValues[offset + 2];
                    int color1 = to32BitIntARGB(r, g, b);
                    if (col / 3 + 1 >= width)
                    {
                        int index1 = row * outStride + col / 6;
                        colorData[index1] = (byte)(colorToIndex[color1] << 4);
                        continue;
                    }

                    b = rgbValues[offset + 3];
                    g = rgbValues[offset + 4];
                    r = rgbValues[offset + 5];
                    int color2 = to32BitIntARGB(r, g, b);
                    int index2 = row * outStride + col / 6;
                    colorData[index2] = (byte)(colorToIndex[color1] << 4 | colorToIndex[color2]);

                }
            }
        }

        private static HashSet<int> CreateColorSet(byte[] rgbValues, int block, int width, int height)
        {
            var colorSet = new HashSet<int>();
            int len = rgbValues.Length;
            int stride = len / height;
            if (block == 3)
            {
                for (int row = 0; row < height; row++)
                {
                    for (int col = 0; col < width * 3; col += 3)
                    {
                        int offset = row * stride + col;
                        int b = rgbValues[offset];
                        int g = rgbValues[offset + 1];
                        int r = rgbValues[offset + 2];
                        colorSet.Add(to32BitIntARGB(r,g,b));
                    }
                }

            }
            else
            {
                for (int row = 0; row < height; row++)
                {
                    for (int col = 0; col < width * 4; col += 4)
                    {
                        int offset = row * stride + col;
                        int b = rgbValues[offset];
                        int g = rgbValues[offset + 1];
                        int r = rgbValues[offset + 2];
                        int a = rgbValues[offset + 3];
                        colorSet.Add(to32BitIntARGB(a, r, g, b));
                    }
                }
            }
            return colorSet;
        }

        public static PixelFormat determinePixelFormat(int colorCount)
        {
            if (colorCount <= 2)
            {
                // you can use Format1bppIndexed but for simplicity return Format4bppIndexed
                return PixelFormat.Format4bppIndexed;
            }
            else if (colorCount <= 16)
            {
                return PixelFormat.Format4bppIndexed;
            }
            else if (colorCount <= 255)
            {
                return PixelFormat.Format8bppIndexed;
            }
            else
            {
                throw new ArgumentException("number of colors in image must equal or less than " + 256);
            }
        }

        public static int DetermineBlockSize(this Bitmap bmp)
        {
            var pixelFormat = bmp.PixelFormat;
            if (pixelFormat.HasFlag(PixelFormat.Format24bppRgb))
            {
                return 3;
            }
            else if (pixelFormat.HasFlag(PixelFormat.Format32bppArgb))
            {
                return 4;
            }
            else
            {
                throw new NotImplementedException("Unsupported type of image:" + pixelFormat);
            }
        }

        private static int to32BitIntARGB(int a, int r, int g, int b)
        {
            return (a << 24) | (r << 16) | (g << 8) | (b);
        }

        private static int to32BitIntARGB(int r, int g, int b)
        {
            return ALPHA_255 | (r << 16) | (g << 8) | (b);
        }

        private static byte[] ToByteArray(this Bitmap src)
        {
            var rect = new Rectangle(0, 0, src.Width, src.Height);
            var bmpData = src.LockBits(rect, ImageLockMode.ReadOnly, src.PixelFormat);

            var ptr = bmpData.Scan0;

            int bytes = Math.Abs(bmpData.Stride) * src.Height;
            var rgbValues = new byte[bytes];

            Marshal.Copy(ptr, rgbValues, 0, bytes);

            src.UnlockBits(bmpData);
            return rgbValues;
        }
    }
}

Example Result of Creating Indexed PNG

See the below result which demonstrated generating indexed png image from non indexed png image by the above example code.

RGBA 32bpp to 292x292 8bpp indexed

The left image is the original 292x292 RGBA 32bpp png image and the right image is the 292x292 8bpp indexed png image generated by the example code.
The size is reduced 12,717 bytes to 9,586 bytes.

Single color 32RGBA to Single color 1bpp indexed

The left image is the original 512x512 RGBA 32bpp single color png image and the right image is the 512x512 1bpp indexed png image generated by the example code.
The size is reduced 1,864 bytes to 315 bytes.

Consideration

The code itself works fine but maybe you noticed that the size reducing percentage is not sufficient compared with other existing image optimization tools :( or comparing with Java version result - Create Indexed PNG Image Using Standard Java Image API in this blog
The cause looks compression level. Unfortunately C# Png Encoder which Microsoft provides doesn't seem support compress level option.
So I have investigated more usable and efficient .Net png library. And I found pngcs, which is the C# version of pngj.
In Nitropan さんの投稿…

Wow! I've taken your code and hope it works :-)!.. Thank you very much, although I'm not sure how you've done it. Quite stupid from MS that the palette is not remapped.. Bye, Andy
dahut さんの投稿…
Thank for your work
dahut さんの投稿…
Line 65 copy paste error, you call fillBitmapData8bppIndexedAlpha() instead of fillBitmapData4bppIndexedAlpha(). For externals readers just replace the method and use the same parameter as fillBitmapData4bppIndexedNoAlpha() (line 50)
Lonely Developer さんの投稿…
Hi dahut.
Thank you for pointing out the bug in my code. I have fixed it.

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簡易的な方法として「指定した文字列からランダムに1文字選ぶ」を必要な文字の長さ分concat関数でつなげれば実現できます。 1文字ずつ文字を選ぶので、あまり性能もよくない上、セキュリティ的な観点からのランダム性も担保されていないので、あくまで開発中に必要になった時に使う程度が無難だと思います。 下記に英数字大文字小文字を含んだランダムな3文字の文字列を生成するクエリを示します。 # RAND関数で指定した文字列からランダムに1文字選択。 # 下記の例の62の部分はa~z、A~Z、1~9の文字数の合計値を入れた結果 SELECT CONCAT( SUBSTRING('abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ123456789', FLOOR(RAND() * 62 + 1), 1), SUBSTRING('abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ123456789', FLOOR(RAND() * 62 + 1), 1), SUBSTRING('abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ123456789', FLOOR(RAND() * 62 + 1), 1) ) AS random_string;

PHPの配列(array)のメモリ使用量の考察

はじめに 最近PHP上に大量のデータをメモリ上に展開していたのですが、配列(array)の形式(連想配列 or 単純な配列)や配列の要素のデータ構造(数字、配列、文字列など)で大きくメモリ使用量に差が出てくることに気づき、簡単なプログラムを組んで調べてみました。 あくまで筆者の環境での結果なので、細かい数値は参考程度に見てください。 測定環境と方法 OS: Windows 10 PHP 7.4.5 (php-7.4.5-nts-Win32-vc15-x64) 配列に要素を追加するプログラムを書いて、PHPのmemory_get_usage(true)関数を使って実メモリ使用量を計測しました。 計測結果 No. 方式 1MB当たり作成できる 要素数 プログラム 補足 1 キーも値も整数の配列 (整数IDを想定) 28571 // 2,000,000 / 70MB $row = []; for($i = 0; $i < 2000000; $i++) { $row[] = $i; } No.2~6でテストしたプログラム中の要素数は200,000。これだけ一桁多い! 2 キーが文字列、値が整数の連想配列 8333 // 200,000 / 24MB $row = []; for($i = 0; $i < 200000; $i++) { $row[$i.'_key_string'] = $i; } キーの文字列が長い方がメモリ使用量多くなる。 3 キーが整数、値が連想配列の配列 DBから取得してきたデータを想定 2325 // 200,000 / 86MB $row = []; for($i = 0; $i < 200000; $i++) { row[] = ['id' => $i]; } 4 キーが整数、値が連想配列の配列(配列に複数の値を保持) DBから取得してきたデータを想定 2127 // 200,000 /...

ADODB.streamオブジェクトを使って文字列とByte配列を相互変換(Excel VBA)

ADODB.streamオブジェクトを使って文字列をByte配列に変換するコードのサンプルです。 ExcelVBAでADODB.streamを使う際には、 1. ExcelのMicrosoft Visual Basic エディタのメニューバーから「ツール->参照設定」とたどる。 2. 表示されたダイアログからMicrosoft ActiveX Data Objectsにチェックを入れる。 という手順が必要です。 文字列からByte配列へ Private Function ADOS_EncodeStringToByte(ByVal cset As String, ByRef strUni As String) As Byte() On Error GoTo e Dim objStm As ADODB.stream: Set objStm = New ADODB.stream objStm.Mode = adModeReadWrite objStm.Open objStm.Type = adTypeText objStm.Charset = cset objStm.WriteText strUni objStm.Position = 0 objStm.Type = adTypeBinary Select Case UCase(cset) Case "UNICODE", "UTF-16" objStm.Position = 2 Case "UTF-8" objStm.Position = 3 End Select ADOS_EncodeStringToByte = objStm.Read() objStm.Close Set objStm = Nothing Exit Function e: Debug.Print "Error occurred while encoding characters" & Err.Description If objStm Is No...

Visual Studio 2010 SP1のアンインストール

Visual Studio 2013に乗り換えるためにVisual Studio 2010をアンインストールしようとしたところで問題発生。。。 先にVisual Studio 2010本体をアンインストールした後、Visual Studio 2010 SP1をアンインストールできなくて困っていました。 Google先生で調べたところ、以下の情報が見つかり、書かれていた通り実施したところ無事Visual Studio 2010 SP1のアンインストールに成功しました。 How to uninstall/remove Visual Studio SP1 アンインストール手順は以下の通りです。 http://www.microsoft.com/en-gb/download/details.aspx?id=23691 からMicrosoft Visual Studio 2010 Service Pack 1 (Installer)をダウンロード VS10sp1-KB983509.exeというファイル名でダウンロードされる(はず)。 コマンドプロンプトから以下のコマンドを実行 (以下の例は、c:\tempにVS10sp1-KB983509.exeがある場合) c:\temp\VS10sp1-KB983509.exe /uninstall /force ダイアログが立ち上がるので、アンインストールを選択して次へ進めばOK!

MySQL: SELECTの結果をUNIONして ORDER BYする際の最適化方法

SELECTの結果をUNIONして ORDER BY する際には下記の点に注意する必要があります。 無駄なメモリ消費 ソートにINDEXが利かない (≒CPU負荷増大) 対応策 可能であればPush-down Condition (各サブクエリ内でORDER BY, LIMIT, OFFSETを適用してからUNION, ORDER BYを実行する)を利用することで、 パフォーマンスを改善できる場合があります。 下記に例を示します。 もともとのクエリ SELECT tmp.* FROM ( SELECT tableA.column1, tableA.column2 FROM tableA WHERE (条件) UNION ALL SELECT tableB.column1, tableB.column2 FROM tableB WHERE (条件) ) AS tmp ORDER BY tmp.column1, tmp.column2 LIMIT 100, 20 Push-down Conditionを用いて書き直したクエリ SELECT tmp.* FROM ( SELECT tableA.column1, tableA.column2 FROM tableA WHERE (条件) ORDER BY tableA.column1, tableA.column2 LIMIT 30 # ただしこのPush-down Conditionの手法も下記の場合は、効果が半減しますので注意が必要です。 OFFSETの値が大きい場合は、結局全結果セットUNIONと変わらない サブクエリ内のソートで、INDEXが効かない場合

PHPでファイルを指定した行数ごとに分割

ファイルを指定した行数ごとに分割するためには、Linuxのsplitコマンドを使えば簡単に実現できます。 PHPではexec関数にsplitコマンドを渡して実行すればよいですが、下記の弱点があります。 Linuxのコマンドに依存 (PHPの場合はほとんどLinux環境で動作させることが普通なのでそこまで問題にならないかも知れません)。 exec関数は慎重に引数を渡さないと、OSコマンドインジェクション脆弱性を引き起こす可能性がある。 そこで、今回はPHPでファイルを指定した行数ごとに分割するプログラムを書いてみました。 <?php class FileSplitter { private $lines; private $fileCount; public function split($filePath, $linesPerFile, $outputDir) { $this->fileCount = 0; $this->lines = null; $file = new \SplFileObject($filePath); $lineCount = 0; try{ while (!$file->eof()) { if($lineCount % $linesPerFile === 0) { $this->writeToFile($this->generateOutputFilePath($outputDir, $file)); } $this->lines[] = $file->fgets(); $lineCount++; } $this->writeToFile($this->generateOutpu...

MySQLでGROUP_CONCATしたフィールドに対して疑似的にLIMITを実現する方法

MySQLでGROUP_CONCATしたフィールドに対して疑似的にLIMITを実現するには、GROUP_CONCATで生成された文字列に対して、SUBSTRING_INDEXを使って文字列を切り出す方法が簡単です。 # 下記はid, codeをカラムに持つテーブルで、codeカラムでGROUP BYして、codeごとにidをlimitで取得する例です。 SELECT code ,SUBSTRING_INDEX(GROUP_CONCAT(id ORDER BY id DESC), ',', :limit) # :limitの部分に取得したい件数を指定。 FROM table GROUP BY code 長所は、下記のように条件を指定して、LIMIT句で取得件数を指定したクエリを何度も発行する必要がないところです。 特に、一回あたりクエリの発行コストが高い場合は、GROUP_CONCATを使って一度に取得したほうが最終的な実行時間をかなり節約することができます。 SELECT id FROM table WHERE code = 'A' ORDER BY id DESC LIMIT :limit; ただし、短所も多いので、使用する際は、これらの短所について十分に考慮したうえで使ってください。 GROUP_CONCATで生成された文字列に対して、SUBSTRING_INDEXを使って文字列を切り出すという文字列処理なので、無駄が多い。 特にGROUP_CONCATで生成された元の文字列が長い場合。 GROUP_CONCATの区切り文字が、GROUP_CONCATされる元の文字列に含まれていると正しくLIMITされない。 例:GROUP_CONCATされる元の文字列にカンマが含まれているのに、カンマを区切り文字で指定している場合。 GROUP_CONCATの最大文字数制限を超えた場合は、機能しない。 MySQLのGROUP_CONCATの最大文字数制限は、「SHOW VARIABLES LIKE '%group_concat%';」で調べられます。デフォルト値は1024のようです。 ...