.NET 窗口/屏幕录制

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 操纵系统中最早、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,必要在截取的图像中把鼠标画上去。
所以GDI使用很方便、不依靠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负责从屏幕现实抓取像素， GraphicsCaptureItem 类表示所捕获的窗口或表现， GraphicsCaptureSession 用于启动和制止捕获操纵， Direct3D11CaptureFramePool 类维护要将屏幕内容复制到此中的帧的缓冲区。
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。这里固然没有使用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，并注册帧到达变乱。
  
• 处理帧：在帧到达变乱中处理捕获的帧
  

我们这里是使用比力成熟的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，假如是四通道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，就可以生存本地大概界面展示了 。
屏幕截图Demo表现：

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纵系统特性、能够提供高性能和低延迟的屏幕捕抓，适用于实时性比力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
由于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、表现，CPU、GPU使用情况如下：

1080P和WGC方案没有明显差异，延时也靠近。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：

所以在必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，具体代码都在github堆栈：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；假如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。
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