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WPF性能优化：形状(Shape)、几何图形(Geometry)和图画(Drawing)的使用
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在用户界面技术中，绘图是一个绕不开的话题。WPF提供了多种可根据应用程序要求进行优化的2D图形和图像的处理功能，包括画刷(Brush)、形状(Shape)、几何图形(Geometry)、图画(Drawing)和变换(Transform)等。其中形状(Shape)、几何图形(Geometry)和图画(Drawing)承担了基础的绘图功能，形状(Shape)使用方便简单，但占用资源相对较多，几何图形(Geometry)和图画(Drawing)则更轻量。 什么是形状、几何图形和图画在WPF中，形状(Shape)是专门用于表示直线、椭圆、矩形以及多边形的绘图图元(primitive)，可以绘制到窗口或控件上。几何图形(Geometry)为形状定义了坐标和尺寸等细节（可以理解为只有线条轮廓），不能直接绘制到窗口和控件上。图画(Drawing)在几何图形的基础上增加了绘制图形的笔触、笔触样式和填充细节，也不能直接绘制到窗口和控件上。 形状(Shape)WPF中的形状(Shape)都是派生自FrameworkElement类，所以也是UI元素，提供了布局和事件处理等实用功能，可以像其他元素一样支持事件，可以响应焦点、键盘以及鼠标事件。Shape类是一个抽象类，其自身不能执行任何工作，但定义了绘制轮廓以及填充背景的画刷相关的属性，包括Fill、Stroke、StrokeThickness、StrokeStartLineCap、StrokeDashArray、StrokeLineJoin等。具体的绘制工作由以下几个子类完成： Line 绘制直线元素，直线是最简单的图形元素，使用X1、Y1两个属性作为起点坐标，X2、Y2两个属性作为终点坐标。Stroke属性设置绘制直线的画刷(Brush),从基类(Shape)继承来的Fill属性不起作用代码语言：javascript复制Rectangle 绘制矩形的元素，通过笔触(Stroke)绘制矩形边框，使用填充(Fill)绘制背景色，这两个属性至少得设置一个，否则不会绘制矩形。从FrameworkElement继承来的Width和Height属性定义宽和高，默认值为Auto,将填充其可用的宽度或高度。Rectangle类增加了两个属性：RadiusX和RadiusY，通过这两个属性可以设置圆角，甚至可以绘制出椭圆效果。由于Rectangle是闭合的形状，所以从基类(Shape)继承来的StrokeStartLineCap和StrokeEndLineCap属性不起作用。代码语言：javascript复制Ellipse 绘制椭圆，用法和Rectangle一致，长和宽相等的椭圆即为圆形代码语言：javascript复制Polyline 绘制折线，有多段首尾相连的直线段组成。通过Points属性提供一些列X和Y坐标。尽管Polyline是非闭合的形状，但是设置了Fill属性时，Points属性中最后一个连接点和开始点形成的不可见虚拟线段与Polyline绘制的折线形成的闭合区间也会被填充。代码语言：javascript复制Polygon 绘制多边形，与Polyline相似，有多条直线段组成形成闭合区域。与Polyline唯一的区别就是Polygon会把Points属性中最后一个连接点和开始点连接起来。代码语言：javascript复制Path 绘制路径，是最为灵活的图形，可以由一个或者若干个直线、圆弧、贝塞尔曲线组成。Path类通过Data属性定义绘制的形状。Data属性的类型是Geometry类，也就是接下来要介绍的几何图形(Geometry)。几何图形(Geometry)前边提到几何图形(Geometry)为形状定义了坐标和尺寸，但不能直接绘制到窗口和控件上，而Path形状元素的Data属性就是Geometry类，没错，几何图形(Geometry)是与Path形状结合使用的。 与Shape类一样，Geometry类也是抽象类，具体的形状的定义是通过它的子类实现的。Geometry类的子类包括： LineGeometry 直线几何图形，相当于Line形状。RectangleGeometry 矩形几何图形，与Rectangle形状一样，可以定义圆角。EllipseGeometry 椭圆几何图形，相当于Ellipse形状。GeometryGroup 由多个几何图形(Geometry)组合在一起形成几何图形组，实现为单个路径(Path)添加任意多个几何图形(Geometry)，可以使用EvenOdd或者NonZero填充规则来确定要填充的区域，默认的填充规则是EvenOdd。CombinedGeometry 将两个几何图形合并为一个形状。可以使用CombineMode属性选择如何组合两个几何图形。PathGeometry 表示更为复杂的由弧线、曲线以及直线段构成的图形，并且可以是闭合的，也可以是不闭合的。StreamGeometry 相当于是PathGeometry的只读轻量级类。StreamGeometry的优点是可以节省内存，因为它不在内存中同事保存路径的所有单个分段。缺点是一旦被创建就不能再修改，并且不支持Binding、动画等功能。LineGeometry、RectangleGeometry、EllipseGeometry与前边介绍的Line、Rectangle、Ellipse形状对应，使用起来也很简单。以矩形为例，使用Rectangle的xaml描述: 代码语言：javascript复制使用Path结合RectangleGeometry的xaml描述为： 代码语言：javascript复制 GeometryGroup这样看起来使用几何图形(Geometry)来绘图编码更为繁琐，开篇提到的几何图形(Geometry)更轻量，占用资源更少的优点并没有体现出来。接下来要介绍的GeometryGroup则能很好的体现出几何图形(Geometry)更轻量这个优点。 比如绘制一个铜钱这样一个外圆内方的图案，使用形状(Shape)的xaml描述： 代码语言：javascript复制使用GeometryGroup的xaml描述： 代码语言：javascript复制上述两种方法实现了类似的视觉效果。第一种方法使用了Ellipse和Rectangle两个UI元素，而第二种方案只用了一个Path元素，这意味减少了一个UI元素的开销。通常，一个包含N个几何图形(Geometry)的形状(Shape)比N个形状(Shape)直接进行绘制图案的性能要好。因为形状(Shape)派生自FrameworkElement类，需要维护布局、事件等功能的开销，几何图形(Geometry)则不需要。在只有几十个形状的窗口中这个差距并不明显，但对于需要成百上千个形状的窗口中，这个性能差异就值得考虑了。 GeometryGroup在性能上优于多个形状(Shape)的组合，但是不能为组合中的每个几何图形(Geometry)设置笔触、填充和注册事件，灵活性上稍逊一筹。 CombinedGeometryGeometryGroup可以把多个几何图形(Geometry)组合成复杂的图形，但是多个图形的边界存在交叉重叠时，可能无法得到预期的效果。这个时候可以使用CombinedGeometry来处理了。CombinedGeometry用于把两个重叠在一起的几何图形(Geometry)合并成一个，通过Geometry1和Geometry2属性提供需要合并的几何图形(Geometry)，尽管CombinedGeometry只能合并两个几何图形(Geometry)，但是可以把合并后得到的几何图形(Geometry)与第三个进行合并，以此类推可以实现多个几何图形的合并。GeometryCombineMode属性定义了合并的方式，GeometryCombineMode枚举有以下四个值: 名称 说明 Union 创建包含两个几何图形所有区域的Geometry Intersect 创建包含两个几何图形共有区域的Geometry Xor 创建包含两个几何图形非共有区域的Geometry。也就是先使用Union合并几何图形，再去掉使用Intersect合并的那部分 Exclude 创建的Geometry包含第一个几何图形所有区域，但不包含第二个几何图形的区域 用数学中集合的概念可以把Union、Intersect、Exclude理解为并集、交集和差集。下图显示了四种合并方式的区别（合并后的图形设置了填充便于表示合并后包含的区域）。  imagePathGeometry前边几种方式都是以WPF内置的几何图形(Geometry)绘制或者组合来定义形状，PathGeometry则提供更小粒度的绘制元素PathSegment，PathSegment可以表示几何图形中的一段直线、弧线或者贝塞尔曲线，PathSegment是一个抽象类，具体的绘制由其派生类实现。 派生类名称 说明 LineSegment 在PathFigure中的两个点之间创建一条直线。 ArcSegment 在PathFigure中的两个点之间创建一条椭圆弧。 BezierSegment 在PathFigure中的两个点之间创建一条三次贝塞尔曲线 QuadraticBezierSegment 在PathFigure中的两个点之间创建一条二次贝塞尔曲线 PolyLineSegment 表示由 PointCollection 定义的线段集合，可用多个LineSegment得到相同效果，但使用单个PolyLineSegment更加简明 PolyBezierSegment 创建一条或多条三次贝塞尔曲线 PolyQuadraticBezierSegment 创建一条或多条二次贝塞尔曲线 使用PathGeometry创建路径很简单，以LineSegment为例。在PathGeometry的PathFigure属性中设置StartPoint作为起点，并增加一个LineSegment,其Point属性表示该条线段的结束点以及下一条线段的起点。 代码语言：javascript复制如果要绘制多个不连续的线段，则使用PathFigures属性，在其中添加多个PathFigures即可。 代码语言：javascript复制 StreamGeometry与PathGeometry类一样，StreamGeometry可以定义包含曲线、弧线和直线的复杂几何图形。与PathGeometry不同的是，StreamGeometry的内容不支持数据绑定、动画或修改。 当需要描述复杂几何图形，但又不希望产生支持数据绑定、动画或修改的开销时，建议使用 StreamGeometry。由于StreamGeometry类的高效性，该类是描述装饰器的不错选择。以下是StreamGeometry实现与上文中PathGeometry绘制多个不连续线段同样效果的代码： 代码语言：javascript复制在给Data属性复制的时候，是使用几何图形微语言(Geometry mini-language)创建了一个StreamGeometry。示例中的几何图形微语言包含了6条指令。第一条指令(M50,100)创建了一个PathFigure，并把起点设置为(50,100)，接下来的指令(L100,100 100,50)其实是(L100,100 L100,50)的简写，是创建两个创建直线段并设置每个线段终点的指令。第四条指令(M150,50)创建了一个PathFigure，并把起点设置为(150,50)，接下来的指令是两条创建直线段的指令。 几何图形微语言通常是和StreamGeometry一起使用，但并不是StreamGeometry的专属。WPF中有两个类可以使用几何图形微语言：StreamGeometry和PathFigureCollection。在设置PathGeometry的Figures属性时，可以通过PathFigureCollection使用几何图形微语言。 代码语言：javascript复制 图画(Drawing)几何图形(Geometry)为可以描述形状或者路径，图画(Drawing)在几何图形的基础上增加了绘制图形的笔触、笔触样式和填充细节，包含了显示矢量图或者位图的信息。 图画(Drawing)也是抽象类，描述矢量图或者位图的具体工作由其派生类完成。这些类包括 类名 说明 主要属性 GeometryDrawing 使用指定的画刷(Brush)和画笔(Pen)绘制几何图形。 Geometry、Brush、Pen ImageDrawing 使用指定图像（通常是基于文件的位图）和矩形边界绘制图像 ImageSource、Rect VideoDrawing 结合播放视频文件的媒体播放器，使用指定矩形边界绘制（复制）播放器中当前画面 Player、Rect GlyphRunDrawing 表示渲染GlyphRun的绘图对象 GlyphRun、ForegroundBrush DrawingGroup 组合各种类型的图画(Drawing)创建混合图画，并可以使用它的一个属性一次性为整个组合应用效果 BitmapEffect、BitmapEffectInput、Children、ClipGeometry、GuidelineSet、OpacityMask、Opacity、Transform 与几何图形(Geometry)类似，图画(Drawing)也不能把自身绘制在窗口或者控件上。为了显示图画，WPF提供了以下三个类。 类 基类 说明 DrawingImage ImageSource 使用ImageSource封装图画(Drawing)，从而在Image元素中显示或者作为ImageBrush绘制UI元素 DrawingBrush Brush 使用画刷封装图画(Drawing)，从而作为画刷绘制UI元素 DrawingVisual Visual 允许在低级的可视化对象化中放置图画。 DrawingImage和DrawingBrushDrawingImage和DrawingBrush都包含了Drawing属性，从而可以使用更少的资源绘制矢量图或者位图。例如绘制一个关闭按钮，可以先用PathGeometry定义一个X的几何图形，然后用这个几何图形为GeometryDrawing的Geometry属性赋值，紧接着用DrawingBrush把GeometryDrawing封装为画刷，为按钮的Background赋值。 代码语言：javascript复制 DrawingVisualDrawingVisual是一个轻量级绘图类，用于呈现形状、图像或文本，由于不支持布局、输入、焦点和事件处理，所以绘图性能较好。可用于绘制背景，或者脉冲图。 使用DrawingVisual绘图时，需要一个派生自FrameworkElement类的对象作为宿主容器来呈现图画。这个宿主容器类负责管理其DrawingVisual对象的集合，并通过重写FrameworkElement的以下两个属性为WPF提供需要绘制的内容。 GetVisualChild：从Visual对象集合中返回指定索引处的Visual对象。VisualChildrenCount：获取此元素内可视子元素的数目。代码语言：javascript复制public class MyVisualHost : FrameworkElement { // 创建`Visual`对象的集合 private VisualCollection _children; public MyVisualHost() { _children = new VisualCollection(this); _children.Add(CreateDrawingVisualRectangle()); _children.Add(CreateDrawingVisualText()); _children.Add(CreateDrawingVisualEllipses()); // 注册MouseLeftButtonUp事件处理 this.MouseLeftButtonUp += new System.Windows.Input.MouseButtonEventHandler(MyVisualHost_MouseLeftButtonUp); } // 重写VisualChildrenCount成员提供此UI元素（宿主容器）内可视子元素的数目. protected override int VisualChildrenCount { get { return _children.Count; } } // 重写GetVisualChild方法返回指定索引处的`Visual`对象 protected override Visual GetVisualChild(int index) { if (index < 0 || index >= _children.Count) { throw new ArgumentOutOfRangeException(); } return _children[index]; } }上面代码中在宿主容器类的构造方法里给Visual对象的集合添加了三个DrawingVisual 对象。接下来以CreateDrawingVisualRectangle为例介绍DrawingVisual对象的创建。DrawingVisual类没有绘图内容，需要通过RenderOpen方法获取DrawingContext对象，并在其中进行绘制来添加文本、图形或图像内容，DrawingContext提供了绘制直线、矩形、椭圆、文本以及几何图形等一系列方法。用法上和Winform中GDI+绘图比较相似。 代码语言：javascript复制private DrawingVisual CreateDrawingVisualRectangle() { DrawingVisual drawingVisual = new DrawingVisual(); DrawingContext drawingContext = drawingVisual.RenderOpen(); Rect rect = new Rect(new System.Windows.Point(160, 100), new System.Windows.Size(320, 80)); drawingContext.DrawRectangle(System.Windows.Media.Brushes.LightBlue, (System.Windows.Media.Pen)null, rect); drawingContext.Close(); return drawingVisual; }小结形状(Shape)作为WPF中的UI元素，提供了便捷的绘图功能，以及布局、焦点和事件处理等实用功能，但绘制复杂图形相对繁琐，性能也相对较差。几何图形(Geometry)是与Path形状结合使用，为绘制形状提供了轻量的实现，并通过减少UI元素获得更好的性能，其中使用几何图形微语言创建StreamGeometry的方式可以像PathGeometry一样实现复杂的图形，并且具有更好的性能。除了绘制形状外，还可以用于设置Clip属性，对任何UI元素进行裁剪。但几何图形(Geometry)只定义了形状（线条轮廓），不能直接作为绘制UI元素的画刷。图画(Drawing)包含了显示矢量图或者位图需要的所有信息，并且可以封装几何图形(Geometry)或者位图作为画刷，为UI元素设置Background、BorderBrush等属性。DrawingVisual作为一个轻量级的图画类，具有较好的性能，在需要大量绘制工作的场景中是一个不错的选择。 |
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