WPF 使用 Silk.NET 进行 Direct2D 渲染入门

在上一篇博客的基础上，使用 dotnet 基金会新开源的 Silk.NET 库，让 Silk.NET 创建的 DX 设备和 WPF 对接渲染。接下来本文将告诉大家如何使用 Silk.NET 提供的 Direct2D 底层封装，在 WPF 上绘制出界面

接着上一篇博客 WPF 使用 Silk.NET 进行 DirectX 渲染入门的内容，在上一篇博客编写时，官方 Silk.NET 仓库还没完成对 Direct2D 的支持。因此上一篇博客采用的是 SharpDx 进行 Direct2D 的对接。本篇博客将换掉 SharpDx 库，完全采用 Silk.NET 完成 Direct2D 的对接，在 WPF 上绘制出界面

采用 Silk.NET 库编写 DirectX 逻辑，将会发现由于 Silk.NET 库是 DirectX 的底层封装库，写时需要了解的细节非常多，而且代码也写起来不够优雅。基本上需要完全开启不安全代码写起来才方便一些，但即使如此，编写起来的代码逻辑相比于 SharpDx 库来说还是复杂许多。采用 Silk.NET 库可以提供的一个优势在于对 DirectX 完全底层的封装，可以实现高可控，通过高可控可以实现更高的性能

本文的所有代码都可以在本文末尾找到下载方式

初始化项目

先在上一篇博客的代码基础上，卸掉 SharpDx 相关库，换成 Silk.NET.Direct2D 库。修改之后的 csproj 项目文件的内容如下

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk">

  <PropertyGroup>
    <OutputType>WinExe</OutputType>
    <TargetFramework>net6.0-windows</TargetFramework>
    <Nullable>enable</Nullable>
    <UseWPF>true</UseWPF>
    <AllowUnsafeBlocks>True</AllowUnsafeBlocks>
  </PropertyGroup>

  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="Silk.NET.Direct2D" Version="2.17.0" />
    <PackageReference Include="Silk.NET.Direct3D11" Version="2.17.0" />
    <PackageReference Include="Silk.NET.Direct3D9" Version="2.17.0" />
    <PackageReference Include="Silk.NET.DXGI" Version="2.17.0" />
  </ItemGroup>

</Project>

卸掉 SharpDx 库之后，同步在代码里面删除所有和 SharpDx 相关的代码，接下来将换成使用 Silk.NET 提供的 Direct2D 封装进行对接

创建工厂

按照 DirectX 对接的惯例，在对接 Direct2D 时，需要先创建出 Direct2D 的工厂。为了防止命名冲突，先引用命名空间，如以下代码

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Windows;
using System.Windows.Interop;
using System.Windows.Media;

using Silk.NET.Core.Native;

using D3D11 = Silk.NET.Direct3D11;
using D3D9 = Silk.NET.Direct3D9;
using DXGI = Silk.NET.DXGI;
using D2D = Silk.NET.Direct2D;
using Silk.NET.Direct2D;
using Silk.NET.Maths;
using Silk.NET.Direct3D11;

使用 Silk.NET 创建 Direct2D 的工厂的代码如下

        private void MainWindow_Loaded(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
        	...// 忽略其他代码

            D2D.ID2D1Factory* pD2D1Factory = (D2D.ID2D1Factory*) IntPtr.Zero;
            var d2D = D2D.D2D.GetApi();
            Guid guid = D2D.ID2D1Factory.Guid;
            hr = d2D.D2D1CreateFactory(D2D.FactoryType.SingleThreaded, ref guid, new D2D.FactoryOptions(D2D.DebugLevel.Error),
                ((void**) &pD2D1Factory));
            SilkMarshal.ThrowHResult(hr);
            _pD2D1Factory = pD2D1Factory;

        	...// 忽略其他代码
        }

        private D2D.ID2D1Factory* _pD2D1Factory;

在开始做实际创建之前，需要使用 D2D.GetApi 获取到封装的 D2D 辅助类。由于 Silk.NET 的 API 还不稳定，本文这里不对 GetApi 方法进行更新，保持原先版本的逻辑

除了以上方式创建 ID2D1Factory 工厂之外，还可以通过从 ID3D11Device 里面获取到的 IDXGIDevice 进行创建 ID2D1Device 设备，然后从 ID2D1Device 设备里面获取到 ID2D1Factory 工厂。这个路线稍微绕一点

通过上一篇博客获取到的 D3D11.ID3D11Device* pD3D11Device; 转换为 IDXGIDevice 设备，代码如下

            // 通过 DXGI 创建
            IDXGIDevice* pDXGIDevice = pD3D11Device->QueryInterface<IDXGIDevice>().Handle;

接着通过 IDXGIDevice* pDXGIDevice 创建出 D2D 设备，代码如下

            ID2D1Device* pD2D1Device;
            var creationProperties = new CreationProperties(ThreadingMode.SingleThreaded, DebugLevel.Error, DeviceContextOptions.None);
            d2D.D2D1CreateDevice(pDXGIDevice, creationProperties, &pD2D1Device);

拿到 ID2D1Device 设备即可调用 GetFactory 方法获取到工厂，代码如下

            pD2D1Device->GetFactory(&pD2D1Factory);

            _pD2D1Factory = pD2D1Factory;

创建 ID2D1RenderTarget 对象

根据 D2D 的玩法，通用的使用方法是创建出 ID2D1RenderTarget 作为画布的角色，接着即可在 ID2D1RenderTarget 上绘制各个东西

在本文这里，创建 ID2D1RenderTarget 时，需要关注的是创建的 ID2D1RenderTarget 是将输出到哪里。在上一篇博客创建出了一个 D3D11.ID3D11Texture2D* pD3D11Texture2D 纹理，接着还将这个纹理共享给了 D3D9.IDirect3DTexture9* pDirect3DTexture9 纹理，从而对接到 WPF 的 D3DImage 里面

如此即可知道，咱需要的是让 ID2D1RenderTarget 输出到上一篇博客创建出了一个 D3D11.ID3D11Texture2D* pD3D11Texture2D 纹理上。这样就可以通过纹理的共享，将画面输出到 WPF 的 D3DImage 里面，从而在界面上显示

在 D3D11 的 ID3D11Texture2D 上通过 ID2D1RenderTarget 绘制内容，需要将 ID2D1RenderTarget 对象创建出来。先将 ID3D11Texture2D 转换为 IDXGISurface 用于进行和 D2D 对接，代码如下

            DXGI.IDXGISurface* pDXGISurface;
            var dxgiSurfaceGuid = DXGI.IDXGISurface.Guid;
            renderTarget->QueryInterface(ref dxgiSurfaceGuid, (void**) &pDXGISurface);
            _pDXGISurface = pDXGISurface;

接着使用上文创建出的 D2D 工厂，调用 CreateDxgiSurfaceRenderTarget 创建出 ID2D1RenderTarget 对象，代码如下

            var renderTargetProperties =
            new D2D.RenderTargetProperties(pixelFormat: new D2D.PixelFormat(DXGI.Format.FormatUnknown,
                D2D.AlphaMode.Premultiplied), type: D2D.RenderTargetType.Hardware, dpiX: 96, dpiY: 96, usage: D2D.RenderTargetUsage.None, minLevel: D2D.FeatureLevel.LevelDefault);

            D2D.ID2D1RenderTarget* pD2D1RenderTarget;
            hr = pD2D1Factory->CreateDxgiSurfaceRenderTarget(pDXGISurface, renderTargetProperties, &pD2D1RenderTarget);
            SilkMarshal.ThrowHResult(hr);

            _pD2D1RenderTarget = pD2D1RenderTarget;

如此即可拿到 ID2D1RenderTarget 对象，可以将其当成画布，在上面绘制内容

绘制界面

拿到 ID2D1RenderTarget 对象之后，可以在 WPF 的 CompositionTarget.Rendering 事件里面开始绘制逻辑

值得一提的是，一旦加等了 WPF 的 CompositionTarget.Rendering 事件，无论是否执行任何逻辑，都会降低 WPF 的性能。好在只是降低一点点。多次加等无此问题，多次加等的性能损耗取决于具体业务代码执行时间，不会影响到 WPF 基础框架层的性能。这是因为在 WPF 框架里面，判断了 CompositionTarget.Rendering 事件的逻辑，一旦没有任何业务代码加等，就可以少跑很多逻辑从而提升性能

            CompositionTarget.Rendering += CompositionTarget_Rendering;

在 CompositionTarget_Rendering 里面需要执行两个事情，一个就是通过 D2D.ID2D1RenderTarget* _pD2D1RenderTarget 对象绘制 D2D 部分的内容，另一个就是调用 D3DImage 的刷新

先编写核心的 ID2D1RenderTarget 绘制逻辑，这部分大家可以在具体绘制逻辑发挥想象力。在开始绘制之前，需要调用 BeginDraw 通知绘制的开始。且需要确保成对调用 EndDraw 方法。在 BeginDraw 和 EndDraw 中间即可插入具体绘制逻辑，如本文将绘制出许多个矩形

完成之后，此时还没有真正在 GPU 工作，需要调用 ID3D11DeviceContext 的 Flush 将绘制的命令输出到 GPU 里工作。其实准确来说是输出到具体的渲染绘制组件里面，不一定是 GPU 进行处理

值得一提的是，调用 ID3D11DeviceContext 的 Flush 不是在所有的 Direct2D 绘制里都需要，仅仅只是在本例子代码里面的情况下，需要发送更新而已。而且本例子代码里面也没有真的等待绘制完成，在本例子里面的执行的绘制矩形等逻辑，在方法调用完成时，只是将绘制命令发送到 DirectX 的内部命令缓冲区里面，调用 Flush 命令可以将命令发送到真正处理绘制的组件里面，约等于发送到 GPU 执行

大概的代码如下

        private void CompositionTarget_Rendering(object? sender, EventArgs e)
        {
            _pD2D1RenderTarget->BeginDraw();

            ...// 绘制业务逻辑

            var hr = _pD2D1RenderTarget->EndDraw((ulong*) IntPtr.Zero, (ulong*) IntPtr.Zero);
            SilkMarshal.ThrowHResult(hr);

            _pD3D11DeviceContext->Flush();

            D3DImage.Lock();

            D3DImage.AddDirtyRect(new Int32Rect(0, 0, D3DImage.PixelWidth, D3DImage.PixelHeight));

            D3DImage.Unlock();
        }

以上的代码就是先调用 BeginDraw 方法，执行具体的绘制业务逻辑。从推荐上来说，应该是在 CompositionTarget_Rendering 方法进来之前就应该完成绘制逻辑了，而且绘制的逻辑可以放在其他线程执行，这样可以更加充分利用 GPU 和 CPU 的资源

完成绘制逻辑，调用 EndDraw 方法，调用时可以传入实际绘制的需要更新的范围，从而提升一些性能。默认使用 (ulong*) IntPtr.Zero 表示全部根据。如以下代码设置更新给定的范围

            var rect = new Box2D<float>(0,0,1000,1000);
            var arg1 = (ulong*) &rect;
            var hr = _pD2D1RenderTarget->EndDraw(arg1, (ulong*) IntPtr.Zero);

接着调用 Flush 将 DirectX 的绘制命令发送到 GPU 执行

接着通过 D3DImage 的 AddDirtyRect 方法，告诉 WPF 层更新界面内容。同样的可以给定更新需要刷新的范围，从而提升一点性能

本文的绘制业务逻辑是绘制出矩形，绘制矩形需要创建矩形绘制的画刷和线条类型，绘制的代码如下

            ID2D1RenderTarget* renderTarget = _pD2D1RenderTarget;

            // 清空画布内容，不在上次的基础上继续绘制
            renderTarget->Clear(null);

            // 创建画刷
            var d3Dcolorvalue = new DXGI.D3Dcolorvalue(r: Random.Shared.NextSingle(), g: Random.Shared.NextSingle(), b: 0, a: 1);
            var brushProperties = new BrushProperties()
            {
                Opacity = 1f,
                Transform = Matrix3X2<float>.Identity,
            };
            ID2D1SolidColorBrush* pSolidColorBrush;
            var hr = renderTarget->CreateSolidColorBrush(d3Dcolorvalue, brushProperties, &pSolidColorBrush);
            SilkMarshal.ThrowHResult(hr);
            ID2D1Brush* pBrush = (ID2D1Brush*) pSolidColorBrush;

            // 创建线条类型
            ID2D1StrokeStyle* pStrokeStyle;
            var strokeStyleProperties = new StrokeStyleProperties()
            {
                StartCap = CapStyle.Square,
                EndCap = CapStyle.Square,
                LineJoin = LineJoin.Bevel
            };

            var pDashes = (float*) IntPtr.Zero;
            hr = _pD2D1Factory->CreateStrokeStyle(strokeStyleProperties, pDashes, 0, &pStrokeStyle);
            SilkMarshal.ThrowHResult(hr);

            // 绘制矩形
            renderTarget->DrawRectangle(pRect, pBrush, 1, pStrokeStyle);

            // 释放引用计数。这里仅仅只是释放引用计数而已，不代表资源被释放
            pSolidColorBrush->Release();
            pStrokeStyle->Release();

如此即可完成绘制矩形逻辑

我还在绘制的方法上添加了用来粗略计算 FPS 的逗比代码

            _stopwatch ??= Stopwatch.StartNew();
            _renderCount++;
            if (_stopwatch.Elapsed.TotalSeconds > 1)
            {
            	// 在标题显示
                Title = $"FPS: {_renderCount / _stopwatch.Elapsed.TotalSeconds}";
                _renderCount = 0;
                _stopwatch.Restart();
            }

        private int _renderCount = 0;
        private Stopwatch _stopwatch;

如果 Direct2D 绘制的具体逻辑足够简单，如就画几千个矩形，那基本上在更差的电脑上的刷新率也是能够达到显示器刷新速度的。但是随着具体项目的业务逻辑的复杂提升，在实际项目里面的刷新率也许会达不到显示器的刷新速度，但这时候大部分的卡性能都不是在渲染上，而是具体的业务逻辑

另外，本文的例子只是一个入门级的使用 Silk.NET 进行 Direct2D 渲染的例子而已，而不是最佳实践，更不是性能提升教程

通过本文的例子可以看到，使用 Silk.NET 可以完成 Direct2D 的绘制功能，而且 Silk.NET 是 DirectX 的底层封装，许多代码写起来不够优雅。但就是因为 Silk.NET 是 DirectX 的底层封装，在一些性能敏感的地方，通过高可控可以减少调用损耗，从而提升一点性能

获取代码

本文以上代码放在github 和 gitee 欢迎访问

可以通过如下方式获取源代码，先创建一个空文件夹，接着使用命令行 cd 命令进入此空文件夹，在命令行里面输入以下代码，即可获取到代码

git init
git remote add origin https://gitee.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin 76fc7b2640b92159364d4f0f83a1fb37b32dcd7a

以上使用的是 gitee 的源，如果 gitee 不能访问，请替换为 github 的源。请在命令行继续输入以下代码

git remote remove origin
git remote add origin https://github.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin 76fc7b2640b92159364d4f0f83a1fb37b32dcd7a

获取代码之后，进入 RawluharkewalQeaninanel 文件夹

更多渲染相关，请参阅博客导航

本文会经常更新，请阅读原文： https://blog.lindexi.com/post/WPF-%E4%BD%BF%E7%94%A8-Silk.NET-%E8%BF%9B%E8%A1%8C-Direct2D-%E6%B8%B2%E6%9F%93%E5%85%A5%E9%97%A8.html ，以避免陈旧错误知识的误导，同时有更好的阅读体验。

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