.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：<UseWinRT>true</UseWinRT>

截图代码实现示例：

    public WgcCapture(IntPtr hWnd, CaptureType captureType)
    {
        if (!GraphicsCaptureSession.IsSupported())
        {
            throw new Exception("不支Windows Graphics Capture API");
        }
        var item = captureType == CaptureType.Screen ? CaptureUtils.CreateItemForMonitor(hWnd) : CaptureUtils.CreateItemForWindow(hWnd);
        CaptureSize = new Size(item.Size.Width, item.Size.Height);

        var d3dDevice = Direct3D11Utils.CreateDevice(false);
        _device = Direct3D11Utils.CreateSharpDxDevice(d3dDevice);
        _framePool = Direct3D11CaptureFramePool.CreateFreeThreaded(d3dDevice, pixelFormat: DirectXPixelFormat.B8G8R8A8UIntNormalized, numberOfBuffers: 1, item.Size);
        _desktopImageTexture = CreateTexture2D(_device, item.Size);
        _framePool.FrameArrived += OnFrameArrived;
        item.Closed += (i, _) =>
        {
            _framePool.FrameArrived -= OnFrameArrived;
            StopCapture();
            ItemClosed?.Invoke(this, i);
        };
        _session = _framePool.CreateCaptureSession(item);
    }
    private void OnFrameArrived(Direct3D11CaptureFramePool sender, object args)
    {
        try
        {
            using var frame = _framePool.TryGetNextFrame();
            if (frame == null) return;
            var data = CopyFrameToBytes(frame);
            var captureFrame = new CaptureFrame(CaptureSize, data);
            FrameArrived?.Invoke(this, captureFrame);
        }
        catch (Exception)
        {
            // ignored
        }
    }

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：

1. 创建捕捉项：使用 CreateCaptureItemForMonitor 或 CreateCaptureItemForWindow 来创建捕捉项。
2. 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
3. 转换为 Direct3D 设备：将 D3D11 设备转换为SharpDX Direct3D 设备对象。
4. 创建帧池和会话：使用 Direct3D11CaptureFramePool 和 GraphicsCaptureSession。
5. 开始捕捉：调用 StartCapture 开始会话，并注册帧到达事件。
6. 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

<PackageReference Include="SharpDX" Version="4.2.0" />
<PackageReference Include="SharpDX.Direct3D11" Version="4.2.0" />
<PackageReference Include="SharpDX.DXGI" Version="4.2.0" />

获取到截取的D3D对象帧，帧画面转数据流：

    private byte[] CopyFrameToBytes(Direct3D11CaptureFrame frame)
    {
        using var bitmap = Direct3D11Utils.CreateSharpDxTexture2D(frame.Surface);
        _device.ImmediateContext.CopyResource(bitmap, _desktopImageTexture);
        // 将Texture2D资源映射到CPU内存
        var mappedResource = _device.ImmediateContext.MapSubresource(_desktopImageTexture, 0, MapMode.Read, MapFlags.None);
        //Bgra32
        var bytesPerPixel = 4;
        var width = _desktopImageTexture.Description.Width;
        var height = _desktopImageTexture.Description.Height;
        using var inputRgbaMat = new Mat(height, width, MatType.CV_8UC4, mappedResource.DataPointer, mappedResource.RowPitch);

        var data = new byte[CaptureSize.Width * CaptureSize.Height * bytesPerPixel];
        if (CaptureSize.Width != width || CaptureSize.Height != height)
        {
            var size = new OpenCvSharp.Size(CaptureSize.Width, CaptureSize.Height);
            Cv2.Resize(inputRgbaMat, inputRgbaMat, size, interpolation: InterpolationFlags.Linear);
        }
        var sourceSize = new Size(frame.ContentSize.Width, frame.ContentSize.Height);
        if (CaptureSize == sourceSize)
        {
            var rowPitch = mappedResource.RowPitch;
            for (var y = 0; y < height; y++)
            {
                var srcRow = inputRgbaMat.Data + y * rowPitch;
                var destRowOffset = y * width * bytesPerPixel;
                Marshal.Copy(srcRow, data, destRowOffset, width * bytesPerPixel);
            }
        }
        else
        {
            Marshal.Copy(inputRgbaMat.Data, data, 0, data.Length);
        }

        _device.ImmediateContext.UnmapSubresource(_desktopImageTexture, 0);
        return data;
    }

 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：

using var inputRgbMat = new Mat();
Cv2.CvtColor(inputRgbaMat, inputRgbMat, ColorConversionCodes.BGRA2BGR);
Marshal.Copy(inputRgbMat.Data, data, 0, data.Length);

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：

    private void CaptureButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        var monitorHandle = MonitorUtils.GetMonitors().First().MonitorHandle;
        var wgcCapture = new WgcCapture(monitorHandle, CaptureType.Screen);
        wgcCapture.FrameArrived += WgcCapture_FrameArrived;
        wgcCapture.StartCapture();
    }

    private void WgcCapture_FrameArrived(object? sender, CaptureFrame e)
    {
        Application.Current.Dispatcher.Invoke(() =>
        {
            var stride = e.Size.Width * 4; // 4 bytes per pixel in BGRA format
            var bitmap = BitmapSource.Create(e.Size.Width, e.Size.Height, 96, 96, PixelFormats.Bgra32, null, e.Data, stride);
            bitmap.Freeze();
            CaptureImage.Source = bitmap;
        });
    }

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，

    private void CaptureButton_OnClick(object sender, RoutedEventArgs e)
    {
        var monitorDxgiCapture = new MonitorDxgiCapture();
        monitorDxgiCapture.FrameArrived += WgcCapture_FrameArrived;
        monitorDxgiCapture.StartCapture();
    }

    private void WgcCapture_FrameArrived(object? sender, CaptureFrame e)
    {
        Application.Current?.Dispatcher.Invoke(() =>
        {
            var stride = e.Size.Width * 4; // 4 bytes per pixel in BGRA format
            var bitmap = BitmapSource.Create(e.Size.Width, e.Size.Height, 96, 96, PixelFormats.Bgra32, null, e.Data, stride);

            bitmap.Freeze();
            CaptureImage.Source = bitmap;
        });
    }

捕获画面帧数据：

    [HandleProcessCorruptedStateExceptions]
    private CaptureFrame CaptureFrame()
    {
        try
        {
            var data = new byte[CaptureSize.Width * CaptureSize.Height * 4];
            var result = _mDeskDupl.TryAcquireNextFrame(TimeOut, out _, out var desktopResource);
            if (result.Failure) return null;

            using var tempTexture = desktopResource?.QueryInterface<Texture2D>();
            _mDevice.ImmediateContext.CopyResource(tempTexture, _desktopImageTexture); //拷贝图像纹理：GPU硬件加速的纹理复制
            desktopResource?.Dispose();

            var desktopSource = _mDevice.ImmediateContext.MapSubresource(_desktopImageTexture, 0, MapMode.Read, MapFlags.None);
            using var inputRgbaMat = new Mat(_screenSize.Height, _screenSize.Width, MatType.CV_8UC4, desktopSource.DataPointer);
            if (CaptureSize.Width != _screenSize.Width || CaptureSize.Height != _screenSize.Height)
            {
                var size = new OpenCvSharp.Size(CaptureSize.Width, CaptureSize.Height);
                Cv2.Resize(inputRgbaMat, inputRgbaMat, size, interpolation: InterpolationFlags.Linear);
            }
            Marshal.Copy(inputRgbaMat.Data, data, 0, data.Length);

            var captureFrame = new CaptureFrame(CaptureSize, data);
            _mDevice.ImmediateContext.UnmapSubresource(_desktopImageTexture, 0);
            //释放帧
            _mDeskDupl.ReleaseFrame();
            return captureFrame;
        }
        catch (AccessViolationException)
        {
            return null;
        }
        catch (Exception)
        {
            return null;
        }
    }

获取2D纹理路径不一样，但其它的代码差不多。也是引用Nuget包SharpDX（但不需要WRT了），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，DXGI和WGC方案没有明显差别，延时也接近。

再看看4K下，WGC、DXGI在本地上录制、显示的延迟、CPUGPU资源消耗情况：

 

DXGI资源主要是GPU消耗略多。延迟方面WGC200ms、DXGI100ms，数据会有波动，大概这个数吧，截图我们仅做参考。 

所以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。

录制主要是本地录屏、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