WPF性能优化:形状(Shape)、几何图形(Geometry)和图画(Drawing)的使用

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所属分类:.NET技术
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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。

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FillStrokeStrokeThicknessStrokeStartLineCapStrokeDashArrayStrokeLineJoin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
<Line Stroke="#0000ff" StrokeThickness="3" X1="30" X2="70" Y1="150" Y2="150" /> 
  • 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。
<Rectangle Width="80" Height="60" Fill="AliceBlue"/> 
  • Ellipse 绘制椭圆,用法和Rectangle一致,长和宽相等的椭圆即为圆形
<Ellipse Width="80" Height="60" Fill="AliceBlue"/> 
  • 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。
<Polyline Fill="red" FillRule="Nonzero" Points="10,10 10,100 100,100 150,50" Stroke="Blue" StrokeThickness="3"/> 
  • 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。
<Polygon Fill="red" FillRule="Nonzero" Points="10,10 10,100 100,100 150,50" Stroke="Blue" /> 
  • 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。

LineGeometryRectangleGeometryEllipseGeometry与前边介绍的LineRectangleEllipse形状对应,使用起来也很简单。以矩形为例,使用Rectangle的xaml描述:

<Rectangle Width="80" Height="60" Fill="AliceBlue"/> 

使用Path结合RectangleGeometry的xaml描述为:

<Path Fill="AliceBlue">     <Path.Data>         <RectangleGeometry Rect="0,0 80,60"/>     </Path.Data> </Path> 

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:

<Grid>     <Ellipse Width="50" Height="50" Fill="AliceBlue" Stroke="Blue"/>     <Rectangle Width="20" Height="20" Stroke="Blue" Fill="Transparent"/> </Grid> 

使用GeometryGroup的xaml描述:

<Path Stroke="Blue" Fill="AliceBlue">     <Path.Data>         <GeometryGroup>             <EllipseGeometry Center="25 25" RadiusX="25" RadiusY="25" />             <RectangleGeometry Rect="15 15 20 20"/>         </GeometryGroup>     </Path.Data> </Path> 

上述两种方法实现了类似的视觉效果。第一种方法使用了EllipseRectangle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。

CombinedGeometry

GeometryGroup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Geometry1Geometry2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)。
WPF性能优化:形状(Shape)、几何图形(Geometry)和图画(Drawing)的使用

PathGeometry

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PathSegmentPathSegment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PathGeometryPathFigure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。

<Path Stroke="Blue">     <Path.Data>         <PathGeometry>             <PathFigure StartPoint="50 100">                 <LineSegment Point="100 100"/>                 <LineSegment Point="100 50"/>             </PathFigure>         </PathGeometry>     </Path.Data> </Path> 

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。

<Path Stroke="Blue">     <Path.Data>         <PathGeometry>             <PathGeometry.Figures>             <PathFigure StartPoint="50 100">                 <LineSegment Point="100 100"/>                 <LineSegment Point="100 50"/>             </PathFigure>                 <PathFigure StartPoint="150 50">                     <LineSegment Point="150 100"/>                     <LineSegment Point="100 150"/>                 </PathFigure>             </PathGeometry.Figures>         </PathGeometry>     </Path.Data> </Path> 

StreamGeometry

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:

<Path Stroke="Blue" Data="M50,100 L100,100 100,50 M150,50 L150,100 100,150"/> 

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:StreamGeometryPathFigureCollection。在设置PathGeometryFigures属性时,可以通过PathFigureCollection使用几何图形微语言。

<Path Stroke="Blue" >     <Path.Data>         <PathGeometry Figures="M50,100 L100,100 100,50 M150,50 L150,100 100,150" />     </Path.Data> </Path> 

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。

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DrawingBrush

DrawingImageDrawingBrush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GeometryDrawingGeometry属性赋值,紧接着用DrawingBrushGeometryDrawing封装为画刷,为按钮的Background赋值。

<Button Width="16" Height="16" BorderBrush="Transparent">     <Button.Background>         <DrawingBrush>             <DrawingBrush.Drawing>                 <GeometryDrawing Brush="Red">                     <GeometryDrawing.Geometry>                         <PathGeometry Figures="M562.281173 510.800685l294.996664-293.466821c13.94971-13.878079 14.020318-36.367279 0.14224-50.316989-13.913894-13.984503-36.367279-14.020318-50.316989-0.14224L512.034792 460.377272 219.528855 166.982082c-13.842263-13.878079-36.367279-13.94971-50.316989-0.071631-13.913894 13.878079-13.948687 36.403095-0.071631 50.352805L461.576587 510.587837 166.721139 803.876604c-13.94971 13.878079-14.020318 36.367279-0.14224 50.316989 6.939039 6.974855 16.084327 10.497075 25.229614 10.497075 9.073656 0 18.148335-3.451612 25.087375-10.354835l294.926056-293.360398 295.17472 296.064996c6.939039 6.974855 16.048511 10.462283 25.193799 10.462283 9.109472 0 18.184151-3.487428 25.12319-10.390651 13.913894-13.878079 13.94971-36.367279 0.071631-50.316989L562.281173 510.800685z"/>                     </GeometryDrawing.Geometry>                 </GeometryDrawing>             </DrawingBrush.Drawing>         </DrawingBrush>     </Button.Background> </Button> 

DrawingVisual

DrawingVisual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。
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。

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BackgroundBorderBrush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。