【WPF】使用 WriteableBitmap 提升 Image 性能
- 前言
- WriteableBitmap 背景
- WriteableBitmap 渲染原理
- WriteableBitmap 使用技巧
- 案例
- 核心源码
- 测试结果
前言
由于中所周不知的原因，WPF 中想要快速的更新图像的显示速率一直以来都是一大难题。在本文中，我将分享一些我对于 WPF 领域的经验和见解。虽然我并不是这方面的专家，但是希望通过我的分享，能够为大家提供一些有用的信息和思考角度。
WriteableBitmap 背景
WriteableBitmap 继承至 System.Windows.Media.Imaging.BitmapSource
“巨硬” 官方介绍： WriteableBitmap 类
WriteableBitmap使用 类可按帧更新和呈现位图。 这对于生成算法内容（如分形图像）和数据可视化（如音乐可视化工具）非常有用。
类
WriteableBitmap使用两个缓冲区。 后台缓冲区 在系统内存中分配，并累积当前未显示的内容。 前端缓冲区 在系统内存中分配，并包含当前显示的内容。 呈现系统将前缓冲区复制到视频内存中以供显示。
两个线程使用这些缓冲区。 用户界面 (UI) 线程生成 UI，但不会将其呈现在屏幕上。 UI 线程响应用户输入、计时器和其他事件。 一个应用程序可以有多个 UI 线程。 呈现线程编写和呈现来自 UI 线程的更改。 每个应用程序只有一个呈现线程。
UI 线程将内容写入后台缓冲区。 呈现线程从前缓冲区读取内容并将其复制到视频内存。 使用更改的矩形区域跟踪对后台缓冲区所做的更改。
调用其中
WritePixels一个重载以自动更新和显示后台缓冲区中的内容。
为了更好地控制更新，并且要对后台缓冲区进行多线程访问，请使用以下工作流：
Lock调用 方法以保留更新的后台缓冲区。- 通过访问 属性获取指向后台缓冲区的
BackBuffer指针。- 将更改写入后台缓冲区。 锁定时
WriteableBitmap，其他线程可能会将更改写入后台缓冲区。AddDirtyRect调用 方法以指示已更改的区域。Unlock调用 方法以释放后台缓冲区并允许在屏幕上演示。
将更新发送到呈现线程时，呈现线程会将更改后的矩形从后缓冲区复制到前缓冲区。 呈现系统控制此交换以避免死锁和重绘项目。
WriteableBitmap 渲染原理
-
在调用
WriteableBitmap的AddDirtyRect方法的时候，实际上是调用MILSwDoubleBufferedBitmap.AddDirtyRect，这是 WPF 专门为WriteableBitmap而提供的非托管代码的双缓冲位图的实现。 -
在
WriteableBitmap内部数组修改完毕之后，需要调用Unlock来解锁内部缓冲区的访问，这时会提交所有的修改。
WriteableBitmap 使用技巧
WriteableBitmap的性能瓶颈源于对脏区的重新渲染。- 脏区为 0 或者不在可视化树渲染，则不消耗性能。
- 只要有脏区，渲染过程就会开始成为性能瓶颈。
- CPU 占用基础值就很高了。
- 脏区越大，CPU 占用越高，但增幅不大。
- 内存拷贝不是
WriteableBitmap的性能瓶颈。- 建议使用
Windows API或者.NET API来拷贝内存数据。
- 建议使用
特殊的应用场景，可以适当调整下自己写代码的策略：
- 如果你希望有较大脏区的情况下降低 CPU 占用，可以考虑降低
WriteableBitmap脏区的刷新率。 - 如果你希望
WriteableBitmap有较低的渲染延迟，则考虑减小脏区。
案例
测试 Demo 使用 OpenCvSharp 将视频帧读取出来，将视频帧图像数据通过 WriteableBitmap 渲染到界面的 Image 控件。
核心源码
- 核心代码，利用双缓存区更新位图图像信息
private void ShowImage()
{Bitmap.Lock();bitmap = frame.ToBitmap();bitmapData = bitmap.LockBits(new Rectangle(new System.Drawing.Point(0, 0), bitmap.Size),System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadOnly, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format32bppPArgb);Bitmap.WritePixels(rect, bitmapData.Scan0, bitmapData.Height * bitmapData.Stride, bitmapData.Stride, 0, 0);bitmap.UnlockBits(bitmapData);bitmap.Dispose();Bitmap.Unlock();
}
完整的 ViewModel 代码
public class MainWindowViewModel : Prism.Mvvm.BindableBase
{#region 属性、变量、命令private WriteableBitmap _bitmap;/// <summary>/// UI绑定的资源对象/// </summary> public WriteableBitmap Bitmap{get => _bitmap;set => SetProperty(ref _bitmap, value);}/// <summary>/// OpenCvSharp 视频捕获对象/// </summary>private static VideoCapture videoCapture;/// <summary>/// 视频帧/// </summary>private static Mat frame = new Mat();private static BitmapData bitmapData = new BitmapData();private static Bitmap bitmap;Int32Rect rect;static int width = 0, height = 0;/// <summary>/// 打开文件/// </summary>public DelegateCommand OpenFileCommand { get; set; }public DelegateCommand MNCommand { get; set; }#endregionpublic MainWindowViewModel(){videoCapture = new VideoCapture();OpenFileCommand = new DelegateCommand(OpenFile);MNCommand = new DelegateCommand(MN);}#region 私有方法private void OpenFile(){OpenFileDialog open = new OpenFileDialog(){Multiselect = false,Title = "请选择文件",Filter = "视频文件(*.mp4, *.wmv, *.mkv, *.flv)|*.mp4;*.wmv;*.mkv;*.flv|所有文件(*.*)|*.*"};if (open.ShowDialog() is true){ ShowMove(open.FileName);}}/// <summary>/// 获取视频/// </summary>/// <param name="fileName">文件路径</param>private void ShowMove(string fileName){videoCapture.Open(fileName, VideoCaptureAPIs.ANY);if (videoCapture.IsOpened()){var timer = (int)Math.Round(1000 / videoCapture.Fps) - 8;width = videoCapture.FrameWidth;height = videoCapture.FrameHeight;Bitmap = new WriteableBitmap(width, height, 96, 96, PixelFormats.Bgra32, null);rect = new Int32Rect(0, 0, Bitmap.PixelWidth, Bitmap.PixelHeight);while (true){videoCapture.Read(frame);if (!frame.Empty()){ShowImage();Cv2.WaitKey(timer);}}}}private void ShowImage(){Bitmap.Lock();bitmap = frame.ToBitmap();bitmapData = bitmap.LockBits(new Rectangle(new System.Drawing.Point(0, 0), bitmap.Size),System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadOnly, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format32bppPArgb);Bitmap.WritePixels(rect, bitmapData.Scan0, bitmapData.Height * bitmapData.Stride, bitmapData.Stride, 0, 0);bitmap.UnlockBits(bitmapData);bitmap.Dispose();Bitmap.Unlock();}
}
测试结果
测试结果，经供参考，更精准的性能测试请使用专业工具。
- VS Debug模式下的性能监测，以及Windows任务管理器中的资源占用，可以看出各项资源的使用是比较稳定的。
- 发布之后独立运行资源的占用应该会有5%的降低。
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