詳解WPF如何使用WriteableBitmap提升Image性能

更新時間：2024年01月08日 11:17:55 作者：黑夜中的潛行者

這篇文章主要為大家詳細介紹了WPF如何使用WriteableBitmap提升Image性能,文中的示例代碼講解詳細,感興趣的小伙伴可以跟隨小編一起學習一下

WriteableBitmap 背景

WriteableBitmap 繼承至 System.Windows.Media.Imaging.BitmapSource

“巨硬” 官方介紹： WriteableBitmap 類

WriteableBitmap使用類可按幀更新和呈現(xiàn)位圖。這對于生成算法內(nèi)容（如分形圖像）和數(shù)據(jù)可視化（如音樂可視化工具）非常有用。

類 WriteableBitmap 使用兩個緩沖區(qū)。后臺緩沖區(qū) 在系統(tǒng)內(nèi)存中分配，并累積當前未顯示的內(nèi)容。前端緩沖區(qū) 在系統(tǒng)內(nèi)存中分配，并包含當前顯示的內(nèi)容。呈現(xiàn)系統(tǒng)將前緩沖區(qū)復制到視頻內(nèi)存中以供顯示。

兩個線程使用這些緩沖區(qū)。用戶界面 (UI) 線程生成 UI，但不會將其呈現(xiàn)在屏幕上。 UI 線程響應用戶輸入、計時器和其他事件。一個應用程序可以有多個 UI 線程。呈現(xiàn)線程編寫和呈現(xiàn)來自 UI 線程的更改。每個應用程序只有一個呈現(xiàn)線程。

UI 線程將內(nèi)容寫入后臺緩沖區(qū)。呈現(xiàn)線程從前緩沖區(qū)讀取內(nèi)容并將其復制到視頻內(nèi)存。使用更改的矩形區(qū)域跟蹤對后臺緩沖區(qū)所做的更改。

調用其中 WritePixels 一個重載以自動更新和顯示后臺緩沖區(qū)中的內(nèi)容。

為了更好地控制更新，并且要對后臺緩沖區(qū)進行多線程訪問，請使用以下工作流：

1.Lock 調用方法以保留更新的后臺緩沖區(qū)。

2.通過訪問屬性獲取指向后臺緩沖區(qū)的 BackBuffer 指針。

3.將更改寫入后臺緩沖區(qū)。鎖定時 WriteableBitmap ，其他線程可能會將更改寫入后臺緩沖區(qū)。

4.AddDirtyRect 調用方法以指示已更改的區(qū)域。

5.Unlock 調用方法以釋放后臺緩沖區(qū)并允許在屏幕上演示。

6.將更新發(fā)送到呈現(xiàn)線程時，呈現(xiàn)線程會將更改后的矩形從后緩沖區(qū)復制到前緩沖區(qū)。呈現(xiàn)系統(tǒng)控制此交換以避免死鎖和重繪項目。

WriteableBitmap 渲染原理

在調用 WriteableBitmap 的 AddDirtyRect 方法的時候，實際上是調用 MILSwDoubleBufferedBitmap.AddDirtyRect，這是 WPF 專門為 WriteableBitmap 而提供的非托管代碼的雙緩沖位圖的實現(xiàn)。

在 WriteableBitmap 內(nèi)部數(shù)組修改完畢之后，需要調用 Unlock 來解鎖內(nèi)部緩沖區(qū)的訪問，這時會提交所有的修改。

WriteableBitmap 使用技巧

1.WriteableBitmap 的性能瓶頸源于對臟區(qū)的重新渲染。

臟區(qū)為 0 或者不在可視化樹渲染，則不消耗性能。

只要有臟區(qū)，渲染過程就會開始成為性能瓶頸。

CPU 占用基礎值就很高了。
臟區(qū)越大，CPU 占用越高，但增幅不大。

2.內(nèi)存拷貝不是 WriteableBitmap 的性能瓶頸。

建議使用 Windows API 或者 .NET API 來拷貝內(nèi)存數(shù)據(jù)。

特殊的應用場景，可以適當調整下自己寫代碼的策略：

如果你希望有較大臟區(qū)的情況下降低 CPU 占用，可以考慮降低 WriteableBitmap 臟區(qū)的刷新率。
如果你希望 WriteableBitmap 有較低的渲染延遲，則考慮減小臟區(qū)。

案例

測試 Demo 使用 OpenCvSharp 將視頻幀讀取出來，將視頻幀圖像數(shù)據(jù)通過 WriteableBitmap 渲染到界面的 Image 控件。

核心源碼

核心代碼，利用雙緩存區(qū)更新位圖圖像信息

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 代碼

public class MainWindowViewModel : Prism.Mvvm.BindableBase
{
    #region 屬性、變量、命令

    private WriteableBitmap _bitmap;
    /// <summary>
    /// UI綁定的資源對象
    /// </summary>                
    public WriteableBitmap Bitmap
    {
        get => _bitmap;
        set => SetProperty(ref _bitmap, value);
    }

    /// <summary>
    /// OpenCvSharp 視頻捕獲對象
    /// </summary>
    private static VideoCapture videoCapture;

    /// <summary>
    /// 視頻幀
    /// </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>
    /// 打開文件
    /// </summary>
    public DelegateCommand OpenFileCommand { get; set; }

    public DelegateCommand MNCommand { get; set; }

    #endregion

    public 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 = "請選擇文件",
            Filter = "視頻文件(*.mp4, *.wmv, *.mkv, *.flv)|*.mp4;*.wmv;*.mkv;*.flv|所有文件(*.*)|*.*"
        };

        if (open.ShowDialog() is true)
        {           
            ShowMove(open.FileName);
        }
    }

    /// <summary>
    /// 獲取視頻
    /// </summary>
    /// <param name="fileName">文件路徑</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();
    }
}