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.NET 窗口/屏幕录制

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窗口/屏幕截图适用于截图、批注等工具场景,时时获取窗口/屏幕图像数据流呢,下面讲下视频会议共享桌面、远程桌面这些场景是如何实现画面录制的。
常见的屏幕画面时时采集方案,主要有GDI、WGC、DXGI。
GDI

GDI(Graphics Device Interface)就是使用user32下WindowsAPI来实现,是 Windows 操作系统中最早、最基础的图形设备接口,满足所有windows平台。屏幕/窗口截图可以详见: .NET 窗口/屏幕截图 - 唐宋元明清2188 - 博客园 (cnblogs.com)
录制屏幕,可以基于GDI截图方案,使用定时器捕获屏幕数据。
GDI性能不太好,尤其是针对高帧率及高分辨率需求,达到每秒20帧以上的截取,占用CPU就有点高了。另外GDI不能获取鼠标,需要在截取的图像中把鼠标画上去。
所以GDI使用很方便、不依赖GPU,对性能要求不高的截图场景建议直接使用这个方案。
WGC

Windows Graphics Capture ,是Win10引入的一种新截取屏幕以及截取窗口内容的机制 Screen capture - UWP applications | Microsoft Learn
WinRT提供接口访问,Csproj属性中添加:true
截图代码实现示例:
  1. 1     public WgcCapture(IntPtr hWnd, CaptureType captureType)
  2. 2     {
  3. 3         if (!GraphicsCaptureSession.IsSupported())
  4. 4         {
  5. 5             throw new Exception("不支Windows Graphics Capture API");
  6. 6         }
  7. 7         var item = captureType == CaptureType.Screen ? CaptureUtils.CreateItemForMonitor(hWnd) : CaptureUtils.CreateItemForWindow(hWnd);
  8. 8         CaptureSize = new Size(item.Size.Width, item.Size.Height);
  9. 9
  10. 10         var d3dDevice = Direct3D11Utils.CreateDevice(false);
  11. 11         _device = Direct3D11Utils.CreateSharpDxDevice(d3dDevice);
  12. 12         _framePool = Direct3D11CaptureFramePool.CreateFreeThreaded(d3dDevice, pixelFormat: DirectXPixelFormat.B8G8R8A8UIntNormalized, numberOfBuffers: 1, item.Size);
  13. 13         _desktopImageTexture = CreateTexture2D(_device, item.Size);
  14. 14         _framePool.FrameArrived += OnFrameArrived;
  15. 15         item.Closed += (i, _) =>
  16. 16         {
  17. 17             _framePool.FrameArrived -= OnFrameArrived;
  18. 18             StopCapture();
  19. 19             ItemClosed?.Invoke(this, i);
  20. 20         };
  21. 21         _session = _framePool.CreateCaptureSession(item);
  22. 22     }
  23. 23     private void OnFrameArrived(Direct3D11CaptureFramePool sender, object args)
  24. 24     {
  25. 25         try
  26. 26         {
  27. 27             using var frame = _framePool.TryGetNextFrame();
  28. 28             if (frame == null) return;
  29. 29             var data = CopyFrameToBytes(frame);
  30. 30             var captureFrame = new CaptureFrame(CaptureSize, data);
  31. 31             FrameArrived?.Invoke(this, captureFrame);
  32. 32         }
  33. 33         catch (Exception)
  34. 34         {
  35. 35             // ignored
  36. 36         }
  37. 37     }
复制代码
Windows.GraphicsCapture API负责从屏幕实际抓取像素, GraphicsCaptureItem 类表示所捕获的窗口或显示, GraphicsCaptureSession 用于启动和停止捕获操作, Direct3D11CaptureFramePool 类维护要将屏幕内容复制到其中的帧的缓冲区。
WGC截图流程:

  • 创建捕捉项:使用 CreateCaptureItemForMonitor 或 CreateCaptureItemForWindow 来创建捕捉项。
  • 创建D3D11设备和上下文:调用 D3D11CreateDevice 创建 Direct3D 11 设备和设备上下文。这里虽然没有使用DXGI截图,但引用了DXGI的设备类型
  • 转换为 Direct3D 设备:将 D3D11 设备转换为SharpDX Direct3D 设备对象。
  • 创建帧池和会话:使用 Direct3D11CaptureFramePool 和 GraphicsCaptureSession。
  • 开始捕捉:调用 StartCapture 开始会话,并注册帧到达事件。
  • 处理帧:在帧到达事件中处理捕获的帧
我们这里是使用比较成熟的SharpDX来处理Direct3D,引用如下Nuget版本

   
   
获取到截取的D3D对象帧,帧画面转数据流:
  1. 1     private byte[] CopyFrameToBytes(Direct3D11CaptureFrame frame)
  2. 2     {
  3. 3         using var bitmap = Direct3D11Utils.CreateSharpDxTexture2D(frame.Surface);
  4. 4         _device.ImmediateContext.CopyResource(bitmap, _desktopImageTexture);
  5. 5         // 将Texture2D资源映射到CPU内存
  6. 6         var mappedResource = _device.ImmediateContext.MapSubresource(_desktopImageTexture, 0, MapMode.Read, MapFlags.None);
  7. 7         //Bgra32
  8. 8         var bytesPerPixel = 4;
  9. 9         var width = _desktopImageTexture.Description.Width;
  10. 10         var height = _desktopImageTexture.Description.Height;
  11. 11         using var inputRgbaMat = new Mat(height, width, MatType.CV_8UC4, mappedResource.DataPointer, mappedResource.RowPitch);
  12. 12
  13. 13         var data = new byte[CaptureSize.Width * CaptureSize.Height * bytesPerPixel];
  14. 14         if (CaptureSize.Width != width || CaptureSize.Height != height)
  15. 15         {
  16. 16             var size = new OpenCvSharp.Size(CaptureSize.Width, CaptureSize.Height);
  17. 17             Cv2.Resize(inputRgbaMat, inputRgbaMat, size, interpolation: InterpolationFlags.Linear);
  18. 18         }
  19. 19         var sourceSize = new Size(frame.ContentSize.Width, frame.ContentSize.Height);
  20. 20         if (CaptureSize == sourceSize)
  21. 21         {
  22. 22             var rowPitch = mappedResource.RowPitch;
  23. 23             for (var y = 0; y < height; y++)
  24. 24             {
  25. 25                 var srcRow = inputRgbaMat.Data + y * rowPitch;
  26. 26                 var destRowOffset = y * width * bytesPerPixel;
  27. 27                 Marshal.Copy(srcRow, data, destRowOffset, width * bytesPerPixel);
  28. 28             }
  29. 29         }
  30. 30         else
  31. 31         {
  32. 32             Marshal.Copy(inputRgbaMat.Data, data, 0, data.Length);
  33. 33         }
  34. 34
  35. 35         _device.ImmediateContext.UnmapSubresource(_desktopImageTexture, 0);
  36. 36         return data;
  37. 37     }
复制代码
 将Surface对象转换为获取 SharpDX的Texture2D,映射到CPU以内存拷贝方式输出图像字节数据。
上面默认是输出三通道8位的Bgr24,如果是四通道Bgra32可以按如下从内存拷贝:
  1. 1 using var inputRgbMat = new Mat();
  2. 2 Cv2.CvtColor(inputRgbaMat, inputRgbMat, ColorConversionCodes.BGRA2BGR);
  3. 3 Marshal.Copy(inputRgbMat.Data, data, 0, data.Length);
复制代码
拿到字节数据,就可以保存本地或者界面展示了 。
屏幕截图Demo显示:
  1. 1     private void CaptureButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
  2. 2     {
  3. 3         var monitorHandle = MonitorUtils.GetMonitors().First().MonitorHandle;
  4. 4         var wgcCapture = new WgcCapture(monitorHandle, CaptureType.Screen);
  5. 5         wgcCapture.FrameArrived += WgcCapture_FrameArrived;
  6. 6         wgcCapture.StartCapture();
  7. 7     }
  8. 8
  9. 9     private void WgcCapture_FrameArrived(object? sender, CaptureFrame e)
  10. 10     {
  11. 11         Application.Current.Dispatcher.Invoke(() =>
  12. 12         {
  13. 13             var stride = e.Size.Width * 4; // 4 bytes per pixel in BGRA format
  14. 14             var bitmap = BitmapSource.Create(e.Size.Width, e.Size.Height, 96, 96, PixelFormats.Bgra32, null, e.Data, stride);
  15. 15             bitmap.Freeze();
  16. 16             CaptureImage.Source = bitmap;
  17. 17         });
  18. 18     }
复制代码

WGC利用了现代图形硬件和操作系统特性、能够提供高性能和低延迟的屏幕捕抓,适用于实时性比较高的场景如屏幕录制、视讯会议等应用。
更多的,可以参考官网屏幕捕获到视频 - UWP applications | Microsoft Learn。也可以浏览、运行我的Demo:kybs00/CaptureImageDemo (github.com)
DXGI

 全名DirectX Graphics Infrastructure。从Win8开始,微软引入了一套新的接口Desktop Duplication API,而由于Desktop Duplication API是通过DXGI来提供桌面图像的,速度非常快。
DXGI使用GPU,所以cpu占用率很低,性能很高。DXGI官网文档:DXGI - Win32 apps | Microsoft Learn
因为DXGI也是使用DirectX,所以很多接口与WGC差不多。也就是通过D3D,各种QueryInterface,各种Enum,核心方法是AcquireNextFrame
 
它有个缺点,没办法捕获窗口内容。所以视讯会议共享窗口,是无法通过DXGI实现 
 我们看看Demo调用代码,
  1. 1     private void CaptureButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
  2. 2     {
  3. 3         var monitorDxgiCapture = new MonitorDxgiCapture();
  4. 4         monitorDxgiCapture.FrameArrived += WgcCapture_FrameArrived;
  5. 5         monitorDxgiCapture.StartCapture();
  6. 6     }
  7. 7
  8. 8     private void WgcCapture_FrameArrived(object? sender, CaptureFrame e)
  9. 9     {
  10. 10         Application.Current?.Dispatcher.Invoke(() =>
  11. 11         {
  12. 12             var stride = e.Size.Width * 4; // 4 bytes per pixel in BGRA format
  13. 13             var bitmap = BitmapSource.Create(e.Size.Width, e.Size.Height, 96, 96, PixelFormats.Bgra32, null, e.Data, stride);
  14. 14
  15. 15             bitmap.Freeze();
  16. 16             CaptureImage.Source = bitmap;
  17. 17         });
  18. 18     }
复制代码
捕获画面帧数据:
  1. 1     [HandleProcessCorruptedStateExceptions]
  2. 2     private CaptureFrame CaptureFrame()
  3. 3     {
  4. 4         try
  5. 5         {
  6. 6             var data = new byte[CaptureSize.Width * CaptureSize.Height * 4];
  7. 7             var result = _mDeskDupl.TryAcquireNextFrame(TimeOut, out _, out var desktopResource);
  8. 8             if (result.Failure) return null;
  9. 9
  10. 10             using var tempTexture = desktopResource?.QueryInterface<Texture2D>();
  11. 11             _mDevice.ImmediateContext.CopyResource(tempTexture, _desktopImageTexture); //拷贝图像纹理:GPU硬件加速的纹理复制
  12. 12             desktopResource?.Dispose();
  13. 13
  14. 14             var desktopSource = _mDevice.ImmediateContext.MapSubresource(_desktopImageTexture, 0, MapMode.Read, MapFlags.None);
  15. 15             using var inputRgbaMat = new Mat(_screenSize.Height, _screenSize.Width, MatType.CV_8UC4, desktopSource.DataPointer);
  16. 16             if (CaptureSize.Width != _screenSize.Width || CaptureSize.Height != _screenSize.Height)
  17. 17             {
  18. 18                 var size = new OpenCvSharp.Size(CaptureSize.Width, CaptureSize.Height);
  19. 19                 Cv2.Resize(inputRgbaMat, inputRgbaMat, size, interpolation: InterpolationFlags.Linear);
  20. 20             }
  21. 21             Marshal.Copy(inputRgbaMat.Data, data, 0, data.Length);
  22. 22
  23. 23             var captureFrame = new CaptureFrame(CaptureSize, data);
  24. 24             _mDevice.ImmediateContext.UnmapSubresource(_desktopImageTexture, 0);
  25. 25             //释放帧
  26. 26             _mDeskDupl.ReleaseFrame();
  27. 27             return captureFrame;
  28. 28         }
  29. 29         catch (AccessViolationException)
  30. 30         {
  31. 31             return null;
  32. 32         }
  33. 33         catch (Exception)
  34. 34         {
  35. 35             return null;
  36. 36         }
  37. 37     }
复制代码
也是使用硬件加速将2D纹理资源拷贝,然后通过内存拷贝输出为字节数据。
 1080P的本地录屏、显示,CPU、GPU使用情况如下:

1080P和WGC方案没有明显差别,延时也接近。但4K、8K分辨率下,DXGI方案更优,能够直接管理图形硬件和提供高性能渲染。它是与内核模式驱动程序和系统硬件进行通信的,借用下官网的架构图:

所以在需要极低延迟和高帧率的4K场景中,DXGI能提供必要的性能优化。
上面3个方案Demo示例,详细代码都在github仓库:kybs00/CaptureImageDemo (github.com)
总结下这三个方案
GDI:适用于所有 Windows 版本,但性能较低。
WGC:Win10 1803版本以上,高性能和低延迟,屏幕及窗口均支持。
DXGI:Win8版本以上,适用于高分辨率高帧率等高性能的需求,并且只支持屏幕录制、不支持窗口。
录制主要是录屏、直播、远程桌面、视讯会议、传屏等场景。录制屏幕/窗口建议优先使用WGC,然后用DXGI兼容win8;如果仅录制屏幕且高分辨率、高帧率场景,建议优先DXGI
 
关键字:录屏、录制窗口、高性能屏幕捕获
出处:http://www.cnblogs.com/kybs0/本文版权归作者和博客园共有,欢迎转载,但未经作者同意必须在文章页面给出原文连接,否则保留追究法律责任的权利。
来源:https://www.cnblogs.com/kybs0/p/18330811
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