WPF WriteableBitmap 高性能双缓冲图片显示方案

在实际的WPF应用开发中，我们经常需要处理实时图像显示需求，如视频流、摄像头画面、动态图表等。传统的图像显示方式在高频更新场景下往往存在性能瓶颈。本文将介绍如何使用WriteableBitmap实现高性能的双缓冲图片显示方案。

传统方式的性能问题

在介绍优化方案前，我们先看下常见的传统实现方式：

csharp 复制代码

using (Bitmap bitmap = e.Bitmap.CreateDrawingBitmap())
{
    var hBitmap = bitmap.GetHbitmap();
    try
    {
        ImageSource imageSource = System.Windows.Interop.Imaging.CreateBitmapSourceFromHBitmap(
            hBitmap,
            IntPtr.Zero,
            System.Windows.Int32Rect.Empty,
            BitmapSizeOptions.FromEmptyOptions());
        imageControl.Source = imageSource;
    }
    finally
    {
        DeleteObject(hBitmap);
    }
}

这种方式存在几个问题：

每帧都创建新对象，增加GC压力
频繁的跨平台调用（P/Invoke）
可能产生图像撕裂和闪烁
内存使用效率低下

双缓冲方案的优势

双缓冲技术通过使用两个缓冲区来解决这些问题：

前台缓冲区：用于当前显示
后台缓冲区：用于准备下一帧图像
通过交换缓冲区实现平滑更新

完整实现方案

1. 类级别变量定义

csharp 复制代码

private WriteableBitmap _frontBuffer;
private WriteableBitmap _backBuffer;
private readonly object _bufferLock = new object();
private int _bitmapWidth;
private int _bitmapHeight;
private PixelFormat _pixelFormat;
private BitmapPalette _palette;

2. 初始化方法

csharp 复制代码

public void InitializeBuffers(int width, int height, PixelFormat pixelFormat, BitmapPalette palette = null)
{
    _bitmapWidth = width;
    _bitmapHeight = height;
    _pixelFormat = pixelFormat;
    _palette = palette;
    
    // 创建前后缓冲区
    _frontBuffer = new WriteableBitmap(
        width, height, 96, 96, pixelFormat, palette);
    
    _backBuffer = new WriteableBitmap(
        width, height, 96, 96, pixelFormat, palette);
    
    // 一次性设置UI绑定
    imageControl.Source = _frontBuffer;
}

3. 核心更新方法

csharp 复制代码

public void UpdateImage(Bitmap bitmap)
{
    if (_frontBuffer == null || 
        bitmap.Width != _bitmapWidth || 
        bitmap.Height != _bitmapHeight)
    {
        // 重新初始化缓冲区（尺寸变化时）
        var (pixelFormat, palette) = GetWpfPixelFormatAndPalette(bitmap);
        InitializeBuffers(bitmap.Width, bitmap.Height, pixelFormat, palette);
    }
    
    lock (_bufferLock)
    {
        // 将Bitmap数据复制到后台缓冲区
        CopyBitmapToWriteableBitmap(bitmap, _backBuffer);
        
        // 交换缓冲区数据
        SwapBufferData(_frontBuffer, _backBuffer);
    }
}

4. 缓冲区数据交换

csharp 复制代码

private unsafe void SwapBufferData(WriteableBitmap target, WriteableBitmap source)
{
    target.Lock();
    source.Lock();
    
    try
    {
        // 交换后台缓冲区指针
        IntPtr tempBuffer = target.BackBuffer;
        target.BackBuffer = source.BackBuffer;
        source.BackBuffer = tempBuffer;
        
        // 标记整个区域为已更新
        target.AddDirtyRect(new Int32Rect(0, 0, target.PixelWidth, target.PixelHeight));
    }
    finally
    {
        source.Unlock();
        target.Unlock();
    }
}

5. 内存复制实现

csharp 复制代码

private unsafe void CopyBitmapToWriteableBitmap(Bitmap bitmap, WriteableBitmap writeableBitmap)
{
    var bitmapData = bitmap.LockBits(
        new System.Drawing.Rectangle(0, 0, bitmap.Width, bitmap.Height),
        ImageLockMode.ReadOnly,
        bitmap.PixelFormat);
    
    try
    {
        writeableBitmap.Lock();
        
        try
        {
            int sourceStride = bitmapData.Stride;
            int destStride = writeableBitmap.BackBufferStride;
            int height = bitmapData.Height;
            int minStride = Math.Min(sourceStride, destStride);
            
            byte* sourcePtr = (byte*)bitmapData.Scan0;
            byte* destPtr = (byte*)writeableBitmap.BackBuffer;
            
            // 逐行复制，确保正确处理不同步长
            for (int y = 0; y < height; y++)
            {
                Buffer.MemoryCopy(
                    sourcePtr + y * sourceStride,
                    destPtr + y * destStride,
                    minStride,
                    minStride);
            }
        }
        finally
        {
            writeableBitmap.Unlock();
        }
    }
    finally
    {
        bitmap.UnlockBits(bitmapData);
    }
}

6. 像素格式转换辅助方法

csharp 复制代码

public static (PixelFormat wpfPixelFormat, BitmapPalette palette) GetWpfPixelFormatAndPalette(Bitmap bitmap)
{
    BitmapPalette palette = null;

    if (bitmap.PixelFormat.HasFlag(System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Indexed))
    {
        try
        {
            var colorPalette = bitmap.Palette;
            var colors = colorPalette.Entries.Select(e => 
                Color.FromArgb(e.A, e.R, e.G, e.B)).ToArray();
            palette = new BitmapPalette(colors);
        }
        catch
        {
            palette = BitmapPalettes.WebPalette;
        }
    }

    switch (bitmap.PixelFormat)
    {
        case System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format24bppRgb:
            return (PixelFormats.Bgr24, null);
        case System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format32bppArgb:
            return (PixelFormats.Bgra32, null);
        // 其他格式处理...
        default:
            return (PixelFormats.Bgr32, null);
    }
}

使用示例

csharp 复制代码

// 在图像帧到达事件中处理
private void OnFrameReceived(object sender, FrameEventArgs e)
{
    using (Bitmap bitmap = e.Bitmap.CreateDrawingBitmap())
    {
        UpdateImage(bitmap);
    }
}

// 初始化示例
private void InitializeCamera()
{
    // 假设已知初始图像尺寸
    InitializeBuffers(640, 480, PixelFormats.Bgr24);
}

性能优化要点

内存重用：避免频繁分配和释放内存
减少跨线程调用：最小化Dispatcher的使用
直接内存操作：使用unsafe代码进行高效内存复制
双缓冲设计：消除图像撕裂和闪烁
适当的锁定机制：确保线程安全

注意事项

启用不安全代码：在项目属性中启用"允许不安全代码"
异常处理：确保所有Lock操作都有对应的Unlock
资源释放：及时释放Bitmap资源
尺寸变化处理：处理图像尺寸变化的情况

总结

通过使用WriteableBitmap和双缓冲技术，我们能够显著提升WPF应用程序中图像显示的效率。这种方案特别适用于需要高频更新图像的场景，如视频监控、实时数据可视化等应用。

关键优势包括：

大幅减少GC压力
消除图像撕裂现象
提高渲染性能
更流畅的用户体验

希望本文对你在WPF高性能图像处理方面有所帮助！