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浅谈window桌面GUI技术及图像渲染性能测试实践

高楼Zee

发布于 2019-07-17 09:23:31

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

/// <summary>
/// 判断两幅图是否完全相同
/// </summary>
/// <param name="imageFile1">待比较的第一幅图</param>
/// <param name="imageFile2">待比较的第二幅图</param>
/// <returns>如果两幅图完全相等，则返回true，否则返回false</returns>
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：

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。
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
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≈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域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("<Point x=\"{0}\" y=\"{1}\" color=\"{2}\"/>", 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;
        }