ScreenRecorder 源码分析

简介

ScreenRecorder 是一个使用 Windows 原生 C++ API 开发的屏幕录制库，通过 C++/CLI 封装供 C# 调用。它提供了高性能、低延迟的屏幕录制能力，支持多种输入源和输出格式。

核心特性

支持将屏幕录制成视频、图片、长截图、gif
支持多源输入：窗口、显示器、视频、图片、GIF 等
支持 WGC (Windows Graphics Capture) 和 DXGI 两种捕获方式
提供 C# 友好的 API 接口

项目架构概览

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      C# Application                          │
│                   (ScreenRecorder.dll)                    │
└─────────────────────────┬───────────────────────────────────┘
                          │ C++/CLI 封装层
┌─────────────────────────▼───────────────────────────────────┐
│                   Native C++ Core                            │
│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐         │
│  │RecordingMgr │  │ CaptureMgr  │  │ OutputMgr   │         │
│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────┘         │
│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐         │
│  │ TextureMgr  │  │  MouseMgr   │  │  AudioMgr   │         │
│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────┘         │
└─────────────────────────┬───────────────────────────────────┘
                          │ Windows APIs
┌─────────────────────────▼───────────────────────────────────┐
│    WGC API    │    DXGI Desktop Duplication   │  MediaFoundation │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

核心组件职责：

RecordingManager：录制流程总控，协调各组件
ScreenCaptureManager：屏幕捕获，支持多源叠加
OutputManager：音视频编码输出
TextureManager：DirectX 纹理处理
MouseManager：鼠标指针渲染
AudioManager：音频采集与同步

RecorderOptions 配置体系

RecorderOptions 是录制的核心配置类，控制所有录制参数。开始录制前需创建并设置 RecorderOptions。

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property VideoEncoderOptions^ VideoEncoderOptions;
property SourceOptions^ SourceOptions;
property OutputOptions^ OutputOptions;
property AudioOptions^ AudioOptions;
property MouseOptions^ MouseOptions;
property OverLayOptions^ OverlayOptions;
property SnapshotOptions^ SnapshotOptions;
property LogOptions^ LogOptions;

VideoEncoderOptions - 视频编码参数

控制视频编码质量、帧率、码率等核心参数。

SourceOptions - 输入源参数

控制录制内容来源。支持显示器、窗口、相机、图片、视频、GIF 作为输入源，可添加多个输入源实现叠加效果。

常用属性/方法：

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property List<RecordingSourceBase^>^ RecordingSources;

RecordingSources.Add()    // 添加一个输入源
RecordingSources.Clear()  // 移除所有输入源

注意：新创建的 SourceOptions 中 RecordingSources 列表为空，需添加输入源后才能录制。也可直接使用 SourceOptions.MainMonitor 录制主显示器。

OutputOptions - 输出控制

属性	说明
SourceRect	录制区域，为空录制整个区域，否则按指定大小裁剪
IsVideoCaptureEnabled	是否录制视频，false 时只录制音频
IsVideoFramePreviewEnabled	是否为每帧生成 Bitmap 预览
VideoFramePreviewSize	预览 Bitmap 的尺寸（像素）
StretchMode	图像缩放模式：None/Fill/Uniform/UniformToFill
OutputFrameSize	输出视频帧尺寸，可在 SourceRect 基础上缩放
RecorderMode	录制模式：Video/Slideshow/Screenshot

AudioOptions - 音频参数

属性	说明
IsAudioEnabled	是否启用音频录制
Bitrate	音频比特率
AudioChannels	通道数量
IsOutputDeviceEnabled	是否录制输出音频（默认开启）
IsInputDeviceEnabled	是否录制输入音频（默认关闭）
InputVolume / OutputVolume	输入/输出音量（0.0~1.0）
ForceInputDeviceMono	修复"伪立体声、单边有声"问题

MouseOptions - 鼠标显示

属性	说明
IsMousePointerEnabled	显示鼠标指针（默认开启）
IsMouseClicksDetected	点击时显示彩色圆点提示
MouseLeftClickDetectionColor	左键提示颜色（默认黄色 #FFFF00）
MouseClickDetectionRadius	提示圆点半径（默认 20 像素）
MouseClickDetectionDuration	提示持续时间（默认 150ms）

SnapshotOptions - 截图设置

属性	说明
SnapshotFormat	图片格式：PNG/JPEG/TIFF/BMP
SnapshotsWithVideo	录制视频时同时保存截图
SnapshotsIntervalMillis	截图间隔（毫秒）
SnapshotsDirectory	截图保存目录

RecordingSource 录制源

录制源定义"录什么"，支持多种类型：

录制源	说明
WindowRecordingSource	窗口录制
DisplayRecordingSource	显示器录制（支持 WGC/DXGI）
VideoCaptureRecordingSource	相机录制
VideoRecordingSource	视频文件录制
ImageRecordingSource	图片文件录制
RecordableCamera	相机录制源（继承自 VideoCaptureRecordingSource）
RecordableWindow	窗口录制源（继承自 WindowRecordingSource）
RecordableDisplay	显示器录制源（继承自 DisplayRecordingSource）

核心流程分析

录制入口

cpp 复制代码

RecordingManager::BeginRecording(_In_opt_ std::wstring path, _In_opt_ IStream *stream)

流程步骤

检查状态：验证是否正在录制
检查依赖：确认系统支持录制 API
设置输出路径 ：ConfigureOutputDir(path)
启动录制任务：创建异步任务执行录制
初始化各管理器 ：
- TextureManager：纹理处理
- OutputManager：编码输出
- ScreenCaptureManager：屏幕捕获
- MouseManager：鼠标渲染
启动录制循环 ：StartRecorderLoop()
启动屏幕捕获 ：m_CaptureManager->StartCapture()

录制循环核心逻辑

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while (true) {
    1. 处理错误事件
    2. 暂停处理
    3. 捕获一帧：AcquireNextFrame()
    4. 前处理：Overlay叠加 → 鼠标渲染 → 裁剪/缩放
    5. 写入输出：OutputManager->RenderFrame()
}

多源叠加原理

ScreenRecorderLib 支持多输入源叠加，实现画中画、水印等效果。

叠加流程

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┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  Source 1   │    │  Source 2   │    │  Overlay    │
│ (主显示器)   │    │ (摄像头)    │    │  (Logo)     │
└──────┬──────┘    └──────┬──────┘    └──────┬──────┘
       │                  │                  │
       ▼                  ▼                  ▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│              TextureManager (GPU合成)             │
│         按位置/层级将纹理绘制到共享画布            │
└──────────────────────────┬───────────────────────┘
                           │
                           ▼
                   ┌───────────────┐
                   │ 最终合成纹理   │
                   └───────────────┘

关键代码：

cpp 复制代码

// 处理叠加层
m_CaptureManager->ProcessOverlays(pTexture, &updatedOverlaysCount);

// 纹理变换：裁剪 → 缩放 → 居中填充
ProcessTextureTransforms(pTexture, &processedTexture, 
    videoInputFrameRect, videoOutputFrameSize);

每个 Source/Overlay 可独立配置位置、大小、拉伸模式，由 TextureManager 统一合成。

音视频同步机制

采用外部时钟源 + 音频时间修正策略，本质是视频同步音频。

核心算法

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1. 获取媒体时钟时间戳
2. 计算理论视频帧时长 = 当前时间 - 上帧开始时间
3. 抓取对应时长的音频数据
4. 根据实际音频长度计算时间偏差
5. 修正视频帧时间戳

关键代码：

cpp 复制代码

// 视频帧时长 ≈ 音频长度
model.Duration = duration100Nanos + diff;

// PTS 向音频时间轴对齐
model.StartPos = lastFrameStartPos100Nanos + totalDiff;

时间轴设计

基准时间轴 ：lastFrameStartPos100Nanos 严格按帧率递增
修正时间轴 ：totalDiff 累计音频误差

通过这种方式，即使音频采样存在微小偏差，视频也能保持与音频同步。

图片保存与 WIC

WIC (Windows Imaging Component)

WIC 是 Windows 提供的图像编解码系统组件，支持多种格式的读写、转换、缩放。

IStream 抽象

cpp 复制代码

// 继承关系
IUnknown → IStream → IWICStream

// 核心方法
Read()   // 读字节
Write()  // 写字节
Seek()   // 定位
Stat()   // 获取流大小

IStream 提供统一的流抽象，支持文件、内存、网络等数据源，图片编码器将数据写入 IStream，便于实现 GIF、滚动截图等功能。

C++/CLI 封装设计

设计目标

性能：核心逻辑使用原生 C++，避免托管开销
易用性：提供 C# 友好的 API
跨语言：支持 C#、VB.NET 等 .NET 语言调用

封装结构

cpp 复制代码

// C++/CLI 托管类
public ref class RecorderOptions {
    property VideoEncoderOptions^ VideoEncoderOptions;
    property SourceOptions^ SourceOptions;
    // ...
};

// 调用原生 C++ 实现
class RecordingManager {
    // 原生实现
};

类型映射

C++ 类型	C++/CLI 托管类型
`std::wstring`	`System::String^`
`std::vector`	`System::Collections::Generic::List^`
原生指针	`IntPtr` 或托管包装类

性能调优建议

1. 选择合适的捕获 API

API	适用场景	特点
WGC	Windows 10 1903+	低延迟，支持 UWP 窗口
DXGI	全兼容	高性能，需 Vista+

csharp 复制代码

// 推荐：让库自动选择
var options = new SourceOptions();
// 库会根据系统版本自动选择最优 API

2. 合理设置帧率和分辨率

csharp 复制代码

// 演示录制：15-24 fps 足够
options.VideoEncoderOptions.Framerate = 24;

// 游戏录制：30-60 fps
options.VideoEncoderOptions.Framerate = 30;

// 控制输出分辨率，减少编码压力
options.OutputOptions.OutputFrameSize = new Size(1280, 720);

3. 码率与编码器选择

csharp 复制代码

// H.264 编码，质量优先
options.VideoEncoderOptions.IsFixedFramerate = true;
options.VideoEncoderOptions.BitrateMode = BitrateControlMode.Quality;

// 网络传输场景，码率优先
options.VideoEncoderOptions.BitrateMode = BitrateControlMode.UnconstrainedVBR;
options.VideoEncoderOptions.Bitrate = 2_000_000; // 2 Mbps

4. 避免不必要的预览

csharp 复制代码

// 仅在需要实时预览时启用
options.OutputOptions.IsVideoFramePreviewEnabled = false;

// 如果需要预览，缩小预览尺寸
options.OutputOptions.VideoFramePreviewSize = new Size(320, 180);

5. 纹理复用

底层使用 TextureManager 复用 D3D11 纹理，避免频繁分配。对于长时间录制，确保：

不要频繁修改 OutputFrameSize
避免动态添加/移除大量 Overlay

常见问题

Q: 录屏出现绿色区域

现象：指定区域录制时，出现绿色空白区域。

原因：DPI Awareness 问题。Windows 对 DPI-unaware 进程进行虚拟化，导致获取的分辨率不正确。

解决方法 ：在项目中添加 app.manifest：

xml 复制代码

<application xmlns="urn:schemas-microsoft-com:asm.v3">
  <windowsSettings>
    <dpiAwareness xmlns="http://schemas.microsoft.com/SMI/2016/WindowsSettings">
      PerMonitorV2
    </dpiAwareness>
  </windowsSettings>
</application>

总结

ScreenRecorder 是一个设计精良的录屏库，其核心优势在于：

多源叠加：灵活的输入源组合，支持复杂场景
高性能架构：DirectX 11 + Media Foundation，充分利用 GPU
C++/CLI 封装：兼顾性能与易用性
音视频同步：精确的时间轴控制