浅谈 window 桌面 GUI 技术及图像渲染性能测试实践

Windows的图形界面架构

window图像渲染的基本流程

window桌面程序UI自动化测试技术

Win32程序

WPF程序

UIAutomation

Windows的图形界面架构

window图像渲染的基本流程

window桌面程序UI自动化测试技术

Win32程序

WPF程序

UIAutomation

桌面程序图像渲染性能测试实践

普通PC桌面WPF应用

大屏幕可视化WPF应用

Windows的图形界面架构

从Windows Vista之后，Desktop composition的部分就由Desktop Window Manager完成了（当然是启用Aero的情况下，Windows 8起DWM是必须开启的

如上图，应用程序画完了界面，告诉DWM把它放到桌面上去

DWM本身是基于Direct3D的，D3D下面是WDDM驱动

至于应用程序，绝大多数win桌面应用都是基于GDI的，很老的图形库 (从某个版本起GDI也是跑在D3D之上了，于是显卡厂家就不用写GDI驱动了），D3D(比如基于WPF的应用，今天主要介绍的应用)，OpenGL(现在的Windows的图形架构是以DirectX为主，OpenGL支持需要OpenGL installable client driver)

window图像渲染的基本流程

从程序中提交一个Draw，数据需要经过：

A

p

p

−

>

D

X

r

u

n

t

i

m

e

−

>

U

s

e

r

m

o

d

e

d

r

i

v

e

r

−

>

d

x

g

k

r

n

l

−

>

K

e

r

n

e

l

m

o

d

e

d

r

i

v

e

r

−

>

G

P

U

App->DX runtime->User mode driver->dxgkrnl->Kernel mode driver->GPU

App−>DXruntime−>Usermodedriver−>dxgkrnl−>Kernelmodedriver−>GPU

在到达GPU之前，全都是在CPU上执行的，所以从程序本身是无法获取渲染结果

到这里就为我们做window桌面程序图像渲染性能测试带来两个问题：

怎么检查图像渲染的质量?

怎么获取图像渲染的响应时间？

由于需要桌面UI自动化测试的技术，所以下面我们介绍window桌面程序UI自动化测试技术

window桌面程序UI自动化测试技术

Win32程序

使用 Win32 API 来创建的程序成为Win32程序。

提供 Win32 API的dll被加载到应用程序的进程中，应用程序通过这些API来创建线程、窗口和控件。

Win32程序中，所有窗口和控件都是一个窗口类的实例，都拥有一个窗口句柄，窗口对象属于内核对象，由Windows子系统来维护。

Windows子系统为标准控件定义了窗口类，并使用GDI来绘制这些标准控件。

Win32程序采用消息循环机制：

WPF程序

WPF的控件不再是通过Win32 API来创建窗口，使用Win32 API并不能查找和操作WPF控件

WPF所有控件和动画都是使用DirectX 绘制

WPF控件不直接支持MSAA，而是通过 UIA 用桥转换技术来支持MSAA

WPF用AutomationPeer类支持自动化，每一种控件都有对应的 AutomationPeer类。AutomationPeer不直接暴露给测试客户端，而是通过UIA来使用。UIA向应用程序窗口发送WM_GetObject消息，获得由AutomationPeer实现的UIA Server端Provider。AutomationPeer由控件创建(OnCreateAutomationPeer)

UIAutomation

UIAutomation是微软从Windows Vista开始推出的一套全新UI自动化测试技术， 简称UIA。

UIA定义了全新的、针对UI自动化的接口和模式。测试程序可以通过这些接口来查找和操作控件。

遍历和条件化查询:TreeWalker/FindAll

UI元素属性的UIA Property， 包括Name、 ID、Type、ClassName、Location、 Visibility等等。

UIA Pattern(控件的行为模式)， 比如Select、Expand、Resize、 Check、Value等等。

UIA的两种实现方法：

Server-Side Provider：

由被测程序实现UIA定义的接口，返回给测试程序。WPF程序通过这种方式来支持UIA。

Client-Side Provider:

测试程序没有实现UIA定义的接口。由UIA Runtime或测试程序自己来实现。比如Win32和WinForm程序，UIA Runtime通过MSAA来实现UIA定义的接口。UIA定义了全新的、针对UI自动化的接口和模式。测试程序可以通过这些接口来查找和操作控件。

遍历和条件化查询:TreeWalker/FindAll

UI元素属性的UIA Property， 包括Name、 ID、Type、ClassName、Location、 Visibility等等。

UIA Pattern(控件的行为模式)， 比如Select、Expand、Resize、 Check、Value等等。

UIA驱动计算器示例：

using System.Windows.Automation; PropertyCondition conditionName = new PropertyCondition(AutomationElement.NameProperty, "计算器"); AutomationElement calcWindow = AutomationElement.RootElement.FindFirst(TreeScope.Children, conditionName); //Button 1 PropertyCondition conditionBtn1 = new PropertyCondition(AutomationElement.AutomationIdProperty, "131"); AutomationElement button1 = calcWindow.FindFirst(TreeScope.Descendants, conditionBtn1); //点击Button1 InvokePattern invokePatternBtn1 = (InvokePattern)button1.GetCurrentPattern(InvokePattern.Pattern); invokePatternBtn1.Invoke();

桌面程序图像渲染性能测试实践

因为我们的性能测试是基于部分UI自动化测试技术落地的，在此介绍一下我们的UI自动化测试解决方案

测试解决方案应至少包括5个项目，其中前两个是和其他测试解决方案共享的。5个项目均为类库，不能直接执行。

AI.Robot为UI驱动框架。 AI.Utilities项目里是一些辅助类，如数据库读写、图片对比等（性能测试需用到）。

AI.App.UIObjects项目里放置UI对象。把UI对象集中放置到此项目中是为了减少界面更改带来的维护工作量。

AI.App.BusinessLogic项目里放置可重复用到的界面元素操作的集合，通常是为了完成一项特定的业务的步骤的集合。

AI.App.TestCases里放置测试用例。并按照MSTest单元测试框架组织测试类和测试方法。包含测试类和测试方法的.net类库称为测试程序集。

今天讨论的桌面程序图像渲染性能测试主要应用于以下两种应用：

普通PC桌面WPF应用（分辨率<2K）

大屏幕可视化WPF应用（分辨率>8K）

普通PC桌面WPF应用

首先，回到之前的两个问题：

怎么检查图像渲染的质量?

怎么获取图像渲染的响应时间？

首先将正常渲染完的控件输出成图片

// 将控件uiElement输出到图片aa.bmp uiElement.CaptureBitmap(@"D:\aa.bmp");

使用测试工具驱动启动被测应用并开始计时，在渲染过程中快速截图，实时比较两幅图片是否完全相等，如果相等并结束计时并写入响应时间。

// 比较两幅图片是否完全相同(所有像素点都相同) bool isEqual = ImageHelper.IsEqual(@"D:\image1.bmp", @"D:\image2.bmp");

判断两幅图是否完全相同

///

/// 判断两幅图是否完全相同 ///

/// 待比较的第一幅图 /// 待比较的第二幅图 /// 如果两幅图完全相等，则返回true，否则返回false public static bool IsEqual(string imageFile1, string imageFile2) { float similarity = Compare(imageFile1, imageFile2); return similarity == 1; }

影响图片输出的因素：

1.显卡，不同显卡输出文字和渐变色的时候有细微的差别，所以不同机器上显示的控件和输出的图片通常不完全相同，特别是当控件上有文字的时候。

2.DPI设置，将机器的DPI设置为120%时，100x100大小的控件将显示为120x120像素

3.当在远程桌面上运行测试时，远程连接的选项“字体平滑”会影响控件显示和输出的图片

大屏幕可视化WPF应用

由于大屏幕的分辨率8K起步，也就不适应上面的截图判断方法了，为什么呢？

我们简单来计算8K图片的大小吧

分辨率：

7680

×

4320

=

33177600

像素

≈

95

M

B

分辨率：7680×4320=33177600像素≈95MB

分辨率：7680×4320=33177600像素≈95MB

我们常见显示器用256种状态标识屏幕上某种颜色的灰度，而屏幕采用三基色红绿蓝（RGB），不压缩的情况下一个像素需要占用24bit（3字节），这个就是常说的24位真彩色。

近100MB的图片实时截图并进行判断，本身两个动作就会对机器的计算资源消耗巨大，会严重影响性能测试准确性。

这里我们折中使用实时判断标志位RGB像素点的方法来判断图片渲染的结果

首先，我们会使用取色器采样几个最后图像渲染完成的坐标像素点RGB值

原理其实很简单，只需要两步：

鼠标移动的时候获取鼠标光标的位置

鼠标单击获取当前鼠标光标的位置的RGB颜色值到粘贴板

涉及HookManager技术

namespace GetColor { public partial class Form1 : Form { //显示设备上下文环境的句柄 private IntPtr hdc = IntPtr.Zero; private int maxY, maxX; public Form1() { InitializeComponent(); this.BackColor = Color.Brown; this.TransparencyKey = Color.Brown; this.FormBorderStyle = System.Windows.Forms.FormBorderStyle.None; this.WindowState = FormWindowState.Maximized; this.TopMost = true; this.Cursor = Cursors.Cross; HookManager.MouseMove += OnMouseMove; this.KeyPress += OnKeyPress; this.MouseClick += OnMouseDown; Size screenSize = Screen.PrimaryScreen.Bounds.Size; this.maxX = screenSize.Width - this.label1.Width; this.maxY = screenSize.Height - this.label1.Height; this.SetLabel(Control.MousePosition.X, Control.MousePosition.Y); } //鼠标移动，实时获取鼠标位置 private void OnMouseMove(object sender, MouseEventArgs e) { this.SetLabel(Control.MousePosition.X, Control.MousePosition.Y); } private void SetLabel(int x, int y) { if(this.hdc == IntPtr.Zero) { this.hdc = GetDC(IntPtr.Zero); this.label1.Location = new Point(Math.Min(this.maxX, x + 10), Math.Min(this.maxY, y + 10)); int color = GetPixel(this.hdc, x, y); this.label1.Text = string.Format("X={0},Y={1}\r\nColor:#{2}\r\n{3}", x, y, Convert.ToString(color, 16).PadLeft(6, '0'), color); this.Update(); ReleaseDC(IntPtr.Zero, this.hdc); DeleteDC(this.hdc); this.hdc = IntPtr.Zero; } } private void OnKeyPress(object sender, KeyPressEventArgs e) { if (e.KeyChar == (char)Keys.Escape) { UnHook(); Application.Exit(); } } private void OnMouseDown(object sender, MouseEventArgs e) { //检索一指定窗口的客户区或整个屏幕的显示设备上下文环境的句柄 this.hdc = GetDC(IntPtr.Zero); //指定坐标点的像素的RGB颜色值。 int color = GetPixel(this.hdc, e.X, e.Y); //鼠标单击拷贝值 if (e.Button == MouseButtons.Left) { Clipboard.SetText(string.Format("", e.X, e.Y, color)); } ReleaseDC(IntPtr.Zero, this.hdc); DeleteDC(this.hdc); UnHook(); Application.Exit(); } private void UnHook() { HookManager.MouseMove -= OnMouseMove; } [DllImport("user32")] public static extern IntPtr GetDC(IntPtr hwnd); [DllImport("gdi32")] public static extern int GetPixel(IntPtr hdc, int x, int y); [DllImport("user32.dll")] public static extern bool ReleaseDC(IntPtr hWnd, IntPtr hDc); [DllImport("gdi32.dll")] public static extern IntPtr DeleteDC(IntPtr hDc); } }

小程序截图：

把图像渲染结果采样点填入测试工具的XML配置文件后，我们使用测试工具启动程序开始计时并实判断采样标志位像素点的RGB值，如果全部通过结束计时并写入渲染响应时间

public void ValidateStage(Screen screen) { bool allReady = false; foreach (var stage in screen.ValidationStages) { stage.IsReady = false; } DateTime now = DateTime.Now; while (!allReady && (DateTime.Now - now).TotalSeconds < this.Config.Timeout) { allReady = true; foreach (var stage in screen.ValidationStages) { if(!stage.IsReady) { stage.IsReady = this.ValidatePointsOneTime(stage.ValidatePoints); if (stage.IsReady) { TimeSpan cost = DateTime.Now - now; this.logger.LogInfo(string.Format("{0}耗时{1}", stage.Name, cost.TotalSeconds)); this.logData += string.Format(",{0}", cost.TotalSeconds); } else { allReady = false; } } } Thread.Sleep(this.Config.TryInterval); } foreach (var stage in screen.ValidationStages) { if(!stage.IsReady) { foreach (ValidatePoint point in stage.ValidatePoints) { int color = Root.GetPointColor(point.X, point.Y); this.logger.LogInfo(string.Format("点({0}, {1})的颜色为{2}", point.X, point.Y, color)); } this.logger.LogInfo(string.Format("{0}秒内{1}未绘制完", this.Config.Timeout.ToString(), stage.Name)); this.logData += string.Format(",>{0}", this.Config.Timeout); } } } public void ValidateStage(Screen screen, ValidationStage stage) { DateTime now = DateTime.Now; bool screenReady = this.ValidatePoints(stage.ValidatePoints); if (screenReady) { TimeSpan cost = DateTime.Now - now; this.logger.LogInfo(string.Format("{0}耗时{1}", stage.Name, cost.TotalSeconds)); this.logData += string.Format(",{0}", cost.TotalSeconds); } else { this.logger.LogInfo(string.Format("{0}秒内{1}未绘制完", this.Config.Timeout.ToString(), stage.Name)); this.logData += string.Format(",>{0}", this.Config.Timeout); } } public bool ValidatePointsOneTime(List validationPoints) { foreach (ValidatePoint point in validationPoints) { int color = Root.GetPointColor(point.X, point.Y); if (!Common.IsSimilarColor(color, point.Color)) { return false; } } return true; } public bool ValidatePoints(List validationPoints) { DateTime endTime = DateTime.Now + TimeSpan.FromSeconds(this.Config.Timeout); bool finished = false; while (DateTime.Now < endTime) { bool allPointReady = true; foreach (ValidatePoint point in validationPoints) { int color = Root.GetPointColor(point.X, point.Y); //this.logger.LogInfo(color.ToString() + " " + point.Color.ToString()); if (!Common.IsSimilarColor(color, point.Color)) { allPointReady = false; break; } } if (allPointReady) { finished = true; break; } else { System.Threading.Thread.Sleep(this.Config.TryInterval); } } if(!finished) { foreach (ValidatePoint point in validationPoints) { int color = Root.GetPointColor(point.X, point.Y); this.logger.LogInfo(string.Format("点({0}, {1})的颜色为{2}", point.X, point.Y, color)); } } return finished; }

实际效果：

参考资料：

[1]：Windows Display Driver Model (WDDM) Architecture (Windows Drivers)

[2]：The Desktop Window Manager (Windows)

API GUI Windows 云性能测试服务 CPTS 渲染

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