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

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：

$App->DXruntime->Usermodedriver->dxgkrnl->Kernelmodedriver->GPU$

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：

1. 怎么检查图像渲染的质量?
2. 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：

1. 普通PC桌面WPF应用（分辨率<2K）
2. 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

$分辨率：7680\times 4320=33177600像素\approx 95MB$

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：

1. 鼠标移动的时候获取鼠标光标的位置
2. 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<ValidatePoint> 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<ValidatePoint> 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：
Windows Display Driver Model (WDDM) Architecture (Windows Drivers)
The Desktop Window Manager (Windows)