.NET实时2D渲染入门·动态时钟
从小以来“坦克大战”、“魂斗罗”等游戏总令我魂牵梦绕。这些游戏的基础就是2D实时渲染，以前没意识，直到后来找到了Direct2D。我的2D实时渲染入门，是从这个动态时钟开始的。
本文将使用我写的“准游戏引擎”FlysEngine完成。它是对Direct2D和.NET库SharpDX浅层次的封装，隐藏了一些细节，简化了一些调用。同时还保留了Direct2D的原汁原味。
本文的最终效果如下：
绘制动态时钟
要绘制动态时钟，需要有以下步骤：
创建一个实时渲染窗口；
画一个圆圈，表示时钟边缘；
在圆圈内等距离画上60个分钟刻度，其中12个比较长，为小时刻度；
用不同粗细、不同长短、不同颜色的画笔画上时钟、分钟和秒钟。
实时渲染窗口
using var form = new RenderWindow { ClientSize = new System.Drawing.Size(400, 400) };
form.Draw += (RenderWindow sender, DeviceContext ctx) =>
{
ctx.Clear(Color.CornflowerBlue);
};
RenderLoop.Run(form, () => form.Render(1, PresentFlags.None));
其中form.Render(1, ...)中的1表示垂直同步，玩过游戏的可能见过，这个设置可以在尽可能节省CPU/GPU资源的同时得到最佳的呈现效果。
熟悉glut的肯定知道，这种写法和glut非常像，执行效果如下：
注意：
RenderWindow其实继承于System.Windows.Forms.Form，确实是基于“WinForm”，但实质却和“拖控件”完全不一样。“控件”是模态的，本身有状态，但Direct2D是实时渲染，界面完全没有状态，需要动态每隔一个垂直同步时间（如1/60秒）全部清除，然后再重绘一次。
画圆圈
RenderWindow简单封装了Direct2D，可以直接使用里面的XResource属性来访问DirectX相关资源，包括：
Direct2D Factory
Direct2D DeviceContext
DirectWrite Factory
Transition Library 动画库
Animation Manager 动画管理器
SwapChain
WIC ImagingFactory2
除此之外，还进一步封装了以下组件，以简化图片、文字、颜色等调用和渲染：
TextFormatManager 简化创建TextFormat
BitmapManager 简化加载图片
TextLayoutManager 简化创建TextLayout
.GetColor(color) 方法，简化使用颜色
这里我们将使用Direct2D DeviceContext，这在COM中的名字叫ID2D1DeviceContext。
回到Draw事件，它包含两个参数：(RenderWindow sender, DeviceContext ctx)：
其中sender就是原窗口，可以用外层的form代替;
ctx参数就是D2D绘图的核心，我们将围绕它进行绘制。
要画圆圈，得先算出一个能放下一个完整圆的半径，并留下少许空间（5）：
float r = Math.Min(ctx.Size.Width, ctx.Size.Height) / 2 - 5
然后调用ctx参数，使用黑色画笔将圆画出来，线宽为1/40半径：
ctx.DrawEllipse(new Ellipse(Vector2.Zero, r, r), sender.XResource.GetColor(Color.Black), r/40);
执行效果如下：
可见圆只显示了四分之一，要显示完整的圆，必须将其“移动”到屏幕正中心，我们可以调整圆的参数，将中心点从Vector2.Zero改成new Vector2(ctx.Size.Width/2, ctx.Size.Height/2)，或者用更简单的办法，通过矩阵变换：
ctx.Transform = Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width/2, ctx.Size.Height/2);
注意：“矩阵变换”这几个字听起来总令人联想到“高数”，挺吓人的。但实际是并不是非要知道线性代码基础才能使用。首先只要知道它能完成任务即可，之后再慢慢理解也行。
有多种方法可以完成像平移这样的任务，但通常来说使用“矩阵变换”更简单，更不伤脑筋，尤其是多个对象，进行旋转、扭曲等复杂、或者组合操作等，这些操作如果不使用“矩阵变换”会非常非常麻烦。
这样，即可将该圆“平移”至屏幕正中心，执行效果如下：
Draw方法完整代码：
ctx.Clear(Color.CornflowerBlue);
float r = Math.Min(ctx.Size.Width, ctx.Size.Height) / 2 - 5;
ctx.Transform = Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width/2, ctx.Size.Height/2);
ctx.DrawEllipse(new Ellipse(Vector2.Zero, r, r), sender.XResource.GetColor(Color.Black), r/40);
画刻度
刻度就是线条，共60-12=48个分钟刻度和12个时钟刻度，其中分钟刻度较短，时钟刻度较长。
刻度的一端是沿着圆的边缘，另一端朝着圆的中心，边缘位置可以通过sin/cos等三角函数计算出来……呃，可能早忘记了，不怕，我们有“矩阵变换”。
利用矩阵变换，可以非常容易地完成这项工作：
for (var i = 0; i < 60; ++i)
{
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * i) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width/2, ctx.Size.Height/2);
ctx.DrawLine(new Vector2(r-r/30,0), new Vector2(r,0), form.XResource.GetColor(Color.Black),r/200);
}
执行效果如下：
注意：此处用到了矩阵乘法：
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * i) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width/2, ctx.Size.Height/2);
注意乘法是有顺序的，这符合空间逻辑，可以这样想想，先旋转再平移，和先平移再旋转显然是有区别的。
然后再加上长时钟，只需在原代码基础上加个判断即可，如果i % 5 == 0，则为长时钟，粗细设置为r/100：
for (var i = 0; i < 60; ++i)
{
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * i) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
if (i % 5 == 0)
{ // 时钟
ctx.DrawLine(new Vector2(r - r / 15, 0), new Vector2(r, 0), form.XResource.GetColor(Color.Black), r/100);
}
else
{ // 分钟
ctx.DrawLine(new Vector2(r - r / 30, 0), new Vector2(r, 0), form.XResource.GetColor(Color.Black), r/200);
}
}
执行效果如下：
画时、分、秒钟
时、分、秒钟是动态的，必须随着时间变化而变化；其中时钟最短、最粗，分钟次之，秒钟最细长，然后时钟必须叠在分钟和秒钟之上。
用代码实现，可以先画秒钟、再画分钟和时钟，即可实现重叠效果。还可以通过设置一定的透明度和不同的颜色，可以让它们区分更明显。
获取当前时间可以通过DateTime.Now来完成，DateTime提供了时、分、秒和毫秒，可以轻松地计算各个指针应该指向的位置。
画秒钟的代码如下，显示为蓝色，长度为0.9倍半径，宽度为1/50半径：
// 秒钟
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * time.Second) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
ctx.DrawLine(Vector2.Zero, new Vector2(0,-r*0.9f), form.XResource.GetColor(Color.Blue), r/50);
效果如下：
依法炮制，可以画出分钟和时钟：
// 分钟
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * time.Minute) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
ctx.DrawLine(Vector2.Zero, new Vector2(0, -r * 0.8f), form.XResource.GetColor(Color.Green), r / 35);
// 时钟
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 12 * time.Hour) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
ctx.DrawLine(Vector2.Zero, new Vector2(0, -r * 0.7f), form.XResource.GetColor(Color.Red), r / 20);
效果如下：
优化
其实到了这一步，已经是一个完整的，可运行的时钟了，但还能再优化优化。
半透明时钟
首先可以设置一定的半透明度，使三根钟重叠时不显得很突兀，代码如下：
var blue = new Color(red: 0.0f, green: 0.0f, blue: 1.0f, alpha: 0.7f);
ctx.DrawLine(Vector2.Zero, new Vector2(0,-r*0.9f), form.XResource.GetColor(blue), r/50);
只需将原本的Color.Blue等颜色改成自定义，并且指定alpha参数为0.7（表示70%半透明）即可，效果如下：
时钟两端的尖角或者圆角
Direct2D可以很方便地控制绘制的线段两端，有许多风格可供选择，具体可以参见CapStyle枚举：
public enum CapStyle
{
/// <unmanaged>D2D1_CAP_STYLE_FLAT</unmanaged>
Flat,
/// <unmanaged>D2D1_CAP_STYLE_SQUARE</unmanaged>
Square,
/// <unmanaged>D2D1_CAP_STYLE_ROUND</unmanaged>
Round,
/// <unmanaged>D2D1_CAP_STYLE_TRIANGLE</unmanaged>
Triangle
}
此处我们将使用Round用于做中心点，用Triangle用于做针尖，首先创建一个StrokeStyle对象：
using var clockLineStyle = new StrokeStyle(form.XResource.Direct2DFactory, new StrokeStyleProperties
{
StartCap = CapStyle.Round,
EndCap = CapStyle.Triangle,
});
然后在调用ctx.DrawLine()时，将clockLineStyle参数传入最后一个参数即可：
ctx.DrawLine(Vector2.Zero, new Vector2(0,-r*0.9f), form.XResource.GetColor(blue), r/50, clockLineStyle);
执行效果如下（可见有那么点意思了）：
平滑移动
Direct2D是实时渲染，我们不能浪费这实时二字带来的好处。更何况显示出来的时钟也不太合理，因为当时时间是9:57，此时时钟应该指向偏10点的位置。但现在由于忽略了这一分量，指向的是9点，这不符合实时的时钟。
因此计算小时角度时，可以加入分钟分量，计算分钟角度时，可以加入秒钟分量，计算秒钟角度时，也可以加入毫秒的分量。代码只需将矩阵变换代码稍微变动一点点即可：
// 秒钟
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * (time.Second + time.Millisecond / 1000.0f)) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
// ...
// 分钟
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * (time.Minute + time.Second / 60.0f)) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
// ...
// 时钟
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 12 * (time.Hour + time.Minute / 60.0f)) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
执行效果如下：
阴影效果
和边缘刻度不一样，时钟多少是和窗口底层有距离的，因此怎么说也会显示一些阴影效果。这在Direct2D中也能轻易实现。代码会复杂一点，过程如下：
先将创建一个临时的Bitmap1;
将时、分、秒钟绘制到这个Bitmap中;
创建一个ShadowEffect，传入这个Bitmap的内容生成一个阴影贴图;
调用ctx.DrawImage()将ShadowEffect先绘制;
调用ctx.DrawBitmap()绘制最后真正的时、分、秒钟。
注意这个过程的顺序不能错，否则可能出现阴影显示的真实物体上的虚幻效果。
临时的Bitmap1和ShadowEffect可以在CreateDeviceSizeResources和ReleaseDeviceSizeResources事件中创建和销毁：
Bitmap1 bitmap = null;
Shadow shadowEffect = null;
form.CreateDeviceSizeResources += (RenderWindow sender) =>
{
bitmap = new Bitmap1(form.XResource.RenderTarget, form.XResource.RenderTarget.PixelSize,
new BitmapProperties1(new PixelFormat(Format.B8G8R8A8_UNorm, SharpDX.Direct2D1.AlphaMode.Premultiplied),
dpi, dpi, BitmapOptions.Target));
shadowEffect = new SharpDX.Direct2D1.Effects.Shadow(form.XResource.RenderTarget);
};
form.ReleaseDeviceSizeResources += o =>
{
bitmap.Dispose();
shadowEffect.Dispose();
};
其中dpi从Direct2DFactory.DesktopDpi.Width进行获取。
先将ctx的Target属性指定这个bitmap，但又同时保存老的Target属性用于稍后绘制：
var oldTarget = ctx.Target;
ctx.Target = bitmap;
ctx.BeginDraw();
{
ctx.Clear(Color.Transparent);
// 上文中的绘制时钟部分...
}
ctx.EndDraw();
注意ctx.Clear(Color.Transparent);是有必要的，否则将出现重影：
这样即可将时钟单独绘制到bitmap中，对这个bitmap生成一个阴影：
shadowEffect.SetInput(0, ctx.Target, invalidate: new RawBool(false));
最后进行绘制，绘制时记得顺序：
ctx.Target = oldTarget;
ctx.BeginDraw();
{
ctx.Transform = Matrix3x2.Identity;
ctx.UnitMode = UnitMode.Pixels;
ctx.DrawImage(shadowEffect);
ctx.DrawBitmap(bitmap, 1.0f, InterpolationMode.NearestNeighbor);
ctx.UnitMode = UnitMode.Dips;
}
注意两点：
首先，设置ctx.Transform = identity是有必要的，否则会上文的矩阵变换会一直保持作用；
然后两次设置ctx.UnitMode = pixels/dips也是有必要的，因为此时的绘制相当于是图片，按照默认的高DPI显示会导致显示模糊，因此显示图片时需要改成点对点显示;
效果如下：
这个阴影默认是完全重叠的，现实中这种光线较小，加一点点平移效果可能会更好：
ctx.DrawImage(shadowEffect, new Vector2(r/20,r/20));
效果如下（显然更逼真了）：
更好的动画
有些时钟的秒确实是这样动的，但我印象中儿时的记忆，秒是一格一格地动，它是每动一下，停顿一下再动的那种感觉。
为了实现这种感觉，我加入了Windows Animation Manager的功能，这也是COM组件的一部分，我的FlysEngine中稍微封装了一下。使用时需要引入一个timer进行配合：
float secondPosition = DateTime.Now.Second;
Variable secondVariable = null;
var timer = new System.Windows.Forms.Timer { Enabled = true, Interval = 1000 };
timer.Tick += (o, e) =>
{
secondVariable?.Dispose();
secondVariable = form.XResource.CreateAnimation(secondPosition, DateTime.Now.Second, 0.2f);
};
form.FormClosing += delegate { timer.Dispose(); };
form.UpdateLogic += (window, dt) =>
{
secondPosition = (float)(secondVariable?.Value ?? 0.0f);
};
注意此处我使用了UpdateLogic事件，这也是FlysEngine中封装的，可以在绘制呈现前执行一段更新逻辑的代码。
然后后面的绘制时，将获取秒的矩阵变换参数改为secondPosition变量即可：
ctx.Transform =
Matrix3x2.Rotation(MathF.PI * 2 / 60 * secondPosition) *
Matrix3x2.Translation(ctx.Size.Width / 2, ctx.Size.Height / 2);
最后的执行效果如下：
看起来一切正常，但……如果经过分钟满时，会出现这种情况：
这是因为秒数从59秒到00秒的动画，是一个递减的过程（59->00），因此秒钟反向转了一圈，这明显不对。
解决这个问题可以这样考虑，如果当前是59秒，我们假装它是-1秒即可，这时计算角度不会出错，矩阵变换也没任何问题，通过C# 8.0强大的switch expression功能，可以不需要额外语句，在表达式内即可解决：
secondVariable = form.XResource.CreateAnimation(secondPosition switch
{
59 => -1,
var x => x,
}, DateTime.Now.Second, 0.2f);
最后的最后，最终效果如下：
结语
说来这是我和我老婆的爱情故事。
记得6年前我老婆第一次来我出租房玩，然后……我给她感受了作为一个程序员的“浪漫”，花了一整个下午时间，把这个demo从0开始做了出来给她看，不过那时我还在用C++。多年后和她说起这个入门demo，她仍记忆尤新。
本文中最终效果的代码，可以从我的github仓库下载：
https://github.com/sdcb/blog-data/blob/master/2019/20191021-render-clock-using-dotnet/clock.linq
有了.NET，那些代码已经远比当年简单，我的确是从这个例子出发，做出了许多好玩的东西，以后有机会我会慢慢介绍，敬请期待。
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