Windows半透明窗口的三个方案及其优缺点

liulun

已于 2025-01-08 09:39:54 修改

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分类专栏： Direct2D 文章标签： windows c++ Direct2D

于 2025-01-08 08:37:26 首次发布

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LAYERED窗口

如果你不考虑任何性能问题，那么使用 WS_EX_LAYERED 样式创建透明窗口，无疑是最简单的方式。如下代码所示：

CreateWindowEx(WS_EX_LAYERED, wcx.lpszClassName, wcx.lpszClassName, 
WS_CLIPCHILDREN | WS_CLIPSIBLINGS, x, y, w, h, 
NULL, NULL, hinstance, NULL);

通过这种方式创建的窗口收不到 WM_PAINT 消息，要想重绘窗口得自己写方法，如下代码所示：

//这4行代码用于创建内存DC和BITMAP对象
auto hdc = GetDC(hwnd);
auto compDC = CreateCompatibleDC(NULL);
auto bitmap = CreateCompatibleBitmap(hdc, w, h);
DeleteObject(SelectObject(compDC, bitmap));

//这2行代码用于拷贝img里的像素数据到BITMAP对象
BITMAPINFO info = { sizeof(BITMAPINFOHEADER), w, 0 - h, 1, 32, BI_RGB, w * 4 * h, 0, 0, 0, 0 };
SetDIBits(hdc, bitmap, 0, h, img.pixelData, &info, DIB_RGB_COLORS);

//这5行代码用于更新窗口
BLENDFUNCTION blend = { .BlendOp{AC_SRC_OVER}, .SourceConstantAlpha{255}, .AlphaFormat{AC_SRC_ALPHA} };
POINT pSrc = { 0, 0 };
SIZE sizeWnd = { w, h };
UpdateLayeredWindow(hwnd, hdc, NULL, &sizeWnd, compDC, &pSrc, NULL, &blend, ULW_ALPHA);
ReleaseDC(hwnd, hdc);

//最后释放资源
DeleteDC(compDC);
DeleteObject(bitmap);

在这段代码中，我们把img图像里的像素数据渲染到窗口上了。我代码里写了注释，这里就不多做解释了（示例仓储里的代码用的是Blend2D，想搞Qt的QImage你可以问我，看本文最后）。

程序运行效果如下：

很多开发者用这种方式创建异型窗口，因为系统会为这类窗口执行命中测试的任务（如果鼠标所在点的像素是透明的，则允许鼠标消息透传到该窗口下面的窗口），

这样的窗口有四个性能上的问题：

它用不到GPU硬件加速的能力，所有绘制操作都是在CPU和内存中完成的。
CPU要为这类窗口执行命中测试的工作（鼠标移动就会检测，就会产生CPU消耗）。
重绘窗口必须更新整个窗口区域，无法做使InvalidateRect这样的API更新窗口的某一部分区域（可以去看看UpdateLayeredWindow 和 UpdateLayeredWindowIndirect 的文档）
第四个问题我们待会儿再说。

Desktop Window Manager

在正式介绍新方案之前，我们先介绍一下 Windows 操作系统的：Desktop Window Manager，微软自 Windows Vista 就引入了这个模块，这个模块在系统中的进程如下所示：

此模块的作用：

桌面窗口合成：使用硬件加速技术将所有窗口的内容合成到到一起并显示在屏幕上。
桌面窗口管理：跟踪每个窗口的位置、大小和 Z 序，处理窗口的呈现顺序（确保不同Z序，互相覆盖的窗口能正确的显示在屏幕上）。
桌面窗口特效：使用硬件加速技术处理窗口透明、窗口切换动画等。

这个模块彻底改变了应用程序窗口在桌面上的呈现方式。它不再允许每个窗口直接呈现在屏幕上，而是迫使每个窗口都呈现到一个屏外缓冲区中，各窗口的GDI 绘制命令、 Direct3D 显示请求都被重定向到这些缓冲区。因此这些缓冲区被称为窗口的重定向表面。

DWM 进程把所有窗口的显示请求组合到一起（合并每个窗口的缓冲区内容），再添加一些自己的内容（比如窗口阴影等），再呈现到屏幕上。这个工作是 DWM 借助 GPU 硬件加速能力完成的。

一般情况下，窗口的重定向表面都是不透明的。从性能角度来看，这很合理，因为 alpha 混合非常昂贵（两个半透明窗口重叠时最终呈现到屏幕上的是什么像素，这样的计算工作就是 alpha 混合工作）。

虽然 WS_EX_LAYERED 样式的窗口必须驻留在系统内存中，但 DWM 仍会将其复制到 GPU 显存中，以便 DWM 能正常完成自己的职责，也就是说 WS_EX_LAYERED 样式的窗口还要为内存的复制工作支付成本（这就是 WS_EX_LAYERED 样式的窗口的第四个性能问题）。

使用模糊API创建透明窗口

DWM 为开发者提供了一个API：DwmEnableBlurBehindWindow 这个API本来是给 Windows Vista 窗口启用背景模糊效果的，自 Windows8 开始这个方法已经不能再生成模糊效果了，但我们可以用它来为窗口设置透明效果，如下代码所示：

HRGN region = CreateRectRgn(0, 0, -1, -1);
DWM_BLURBEHIND bb = { 0 };
bb.dwFlags = DWM_BB_ENABLE | DWM_BB_BLURREGION;
bb.hRgnBlur = region;
bb.fEnable = TRUE;
DwmEnableBlurBehindWindow(hWnd, &bb);
DeleteObject(region);

这样设置了窗口之后，我们就可以使用 Direct2D 在窗口上绘制半透明图像了，下面是创建Direct2D 资源的示例代码：

static int w{ 800 }, h{600};
static ID2D1Factory* d2d1Factory = nullptr;
static ID2D1HwndRenderTarget* renderTarget = nullptr;

D2D1CreateFactory(D2D1_FACTORY_TYPE_SINGLE_THREADED,&d2d1Factory);
auto pixelFormat = D2D1::PixelFormat(DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM, D2D1_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED);
auto renderProps = D2D1::RenderTargetProperties(D2D1_RENDER_TARGET_TYPE_DEFAULT,pixelFormat);
auto size = D2D1::SizeU(w, h);
auto hwndRenderProps = D2D1::HwndRenderTargetProperties(hwnd, size);
d2d1Factory->CreateHwndRenderTarget(renderProps, hwndRenderProps, &renderTarget);

简单介绍一下这段代码（以后我还会写文章详细介绍）

D2D1CreateFactory 负责创建一个 ID2D1Factory 对象，这里我们使用了单线程模型：D2D1_FACTORY_TYPE_SINGLE_THREADED，假设你需要在多个不同线程中访问 Direct2D 资源，那么就要使用多线程模型：D2D1_FACTORY_TYPE_MULTI_THREADED。

接着创建了一个像素格式对象：D2D1_PIXEL_FORMAT pixelFormat，像素格式为：DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM，一个像素占据 32 位空间，蓝、绿、红、透明度依次分别占8位空间。D2D1_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED 代表着透明度值预先与蓝绿红颜色值相乘，这主要是为了提高渲染半透明像素的效率。

接着创建：D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES renderProps 对象，这个对象存储着渲染目标的属性，D2D1_RENDER_TARGET_TYPE_DEFAULT 参数指定使用硬件加速（GPU渲染），如果硬件加速不可用，则呈现目标使用软件渲染。（Direct2D是支持软渲染的哦，没显卡的机器上也可以用）

之后创建：D2D1_HWND_RENDER_TARGET_PROPERTIES hwndRenderProps 对象，这个对象决定我们将在哪个窗口上绘图。

最后创建了 ID2D1HwndRenderTarget renderTarget 对象，我们将使用这个对象在窗口中绘图。

下面是绘制图像的示例代码：

if (uMsg == WM_PAINT)
{
    PAINTSTRUCT ps;
    HDC hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);
    renderTarget->BeginDraw();
    renderTarget->Clear(D2D1::ColorF(0.2f, 0.3f, 0.5f, 0.5f));
    renderTarget->EndDraw();
    EndPaint(hWnd, &ps);
    return 0;
}

如你所见，与 Layered 样式的窗口不同，这个窗口是可以接收到 WM_PAINT 消息的，也就是说这个窗口可以根据 InvalidateRect 方法来更新指定的窗口区域。

代码中我们并没有做复杂的绘制操作，仅仅是用一个半透明颜色覆盖了整个画布。

最终渲染结果如下图所示：

这个方案也有缺点，如下所示：

只能在顶层窗口中使用，不能在子窗口中使用。
系统不会为它执行命中测试，即使是全透明区域，鼠标事件也不会穿透。
虽然使用了GPU的能力但DWM仍会为其创建重定向表面，性能比第三个方案略差。

无重定向表面的透明窗口

从 Windows 8 开始，开发者可以在创建一个窗口时请求不使用重定向表面。如下代码所示：

CreateWindowEx(WS_EX_NOREDIRECTIONBITMAP,wc.lpszClassName, L"Sample",
 WS_OVERLAPPEDWINDOW | WS_VISIBLE,x, y, w, h,
 nullptr, nullptr, module, nullptr);

关键就是这个窗口样式：WS_EX_NOREDIRECTIONBITMAP，通过这个样式创建的窗口没有重定向表面，DWM可以少为它做一些工作，但类似窗口位置、阴影之类的工作还得做。

窗口没有重定向表面，DWM就不知道到哪里去合成此窗口的像素数据，因此我们要自己搞一个这样的表面，并把它提交给DWM。

这个过程比较漫长，我们一点一点介绍：

ComPtr<ID3D11Device> d3dDevice;
D3D11CreateDevice(NULL, 
  D3D_DRIVER_TYPE_HARDWARE, 
  NULL, 
  D3D11_CREATE_DEVICE_SINGLETHREADED | D3D11_CREATE_DEVICE_BGRA_SUPPORT, 
  NULL, 
  0, 
  D3D11_SDK_VERSION, 
  &d3dDevice, 
  NULL, 
  NULL);

这段代码创建了一个ID3D11Device对象，D3D11_CREATE_DEVICE_BGRA_SUPPORT标志配置此对象与Direct2D的互操作性，最终我们使用Direct2D绘图。

ComPtr<IDXGIDevice> dxgiDevice;
d3dDevice.As(&dxgiDevice);
ComPtr<IDXGIFactory2> dxgiFactory;
CreateDXGIFactory2(0,__uuidof(dxgiFactory), 
  reinterpret_cast<void**>(dxgiFactory.GetAddressOf()));

这段代码创建了IDXGIDevice和IDXGIFactory2对象，DirectX一系列对象都由DXGI管理，它提供了跨各种版本DirectX的通用GPU资源管理设施。

ComPtr<IDXGISwapChain1> swapChain;
DXGI_SWAP_CHAIN_DESC1 description = {};
description.Width = w;
description.Height = h;
description.Format = DXGI_FORMAT_B8G8R8A8_UNORM;
description.BufferUsage = DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT;
description.SwapEffect = DXGI_SWAP_EFFECT_FLIP_SEQUENTIAL;
description.BufferCount = 2;
description.SampleDesc.Count = 1;
description.AlphaMode = DXGI_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED;
dxgiFactory->CreateSwapChainForComposition(dxgiDevice.Get(), &description, nullptr, swapChain.GetAddressOf());
dxgiFactory->MakeWindowAssociation(hwnd, DXGI_MWA_NO_ALT_ENTER);

这段代码创建了一个IDXGISwapChain1对象（交换链），这个对象管理着窗口待渲染的像素数据的大小和格式，DXGI_USAGE_RENDER_TARGET_OUTPUT将屏幕呈现目标的输出内存定向到交换链对象管理的像素内存（GPU里的内存）。

DXGI_SWAP_EFFECT_FLIP_SEQUENTIAL指定所有像素内存都与合成引擎共享。合成引擎可以直接从交换链的缓冲区组合桌面，而无需额外的复制。BufferCount是缓冲区数量，这里设置的是双缓冲，避免更新画面时出现闪烁的问题。SampleDesc.Count设置为1，禁止多重采样。MakeWindowAssociation方法用于改变窗口大小时提升渲染效率。

ComPtr<IDXGISurface2> dxgiSurface;
swapChain->GetBuffer(0, __uuidof(dxgiSurface), 
  reinterpret_cast<void**>(dxgiSurface.GetAddressOf()));

这段代码创建了一个IDXGISurface2对象，这就是我们前面说的，要自己创建的表面。这个表面是基于交换链双缓冲区的索引为0的缓冲区构建的。

D2D1CreateFactory(D2D1_FACTORY_TYPE_SINGLE_THREADED, d2dFactory.GetAddressOf());    
D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES targetProperties = {};
targetProperties.type = D2D1_RENDER_TARGET_TYPE_DEFAULT;
targetProperties.pixelFormat.format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
targetProperties.pixelFormat.alphaMode = D2D1_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED;
d2dFactory->CreateDxgiSurfaceRenderTarget(dxgiSurface.Get(), 
  &targetProperties, &renderTarget);

这段代码创建了ID2D1Factory2对象和ID2D1RenderTarget对象，renderTarget对象可以创建并执行绘图指令。绘图指令将在dxgiSurface表面上执行。

ComPtr<IDCompositionDevice> compositionDevice;
ComPtr<IDCompositionTarget> compositionTarget;
ComPtr<IDCompositionVisual> compositionVisual;

DCompositionCreateDevice(dxgiDevice.Get(), IID_PPV_ARGS(&compositionDevice));
compositionDevice->CreateTargetForHwnd(hwnd, true, &compositionTarget);
compositionDevice->CreateVisual(&compositionVisual);
compositionVisual->SetContent(swapChain.Get());
compositionTarget->SetRoot(compositionVisual.Get());
compositionDevice->Commit();

这段代码创建与图像合成相关的一系列对象，这些合成对象把交换链、窗口关联到一起。

renderTarget->BeginDraw();
renderTarget->Clear(D2D1::ColorF(0.6f, 0.6f, 0.2f, 0.5f));
renderTarget->EndDraw();
swapChain->Present(1, 0);

这段代码用于在绘制表面绘制半透明颜色，绘制完成后，使用交换链提交给窗口。

当窗口大小变换时，需要对renderTarget、swapChain等几个对象进行重置

renderTarget.Reset();
swapChain->ResizeBuffers(0, w, h, DXGI_FORMAT_UNKNOWN, 0);
ComPtr<IDXGISurface2> dxgiSurface;
swapChain->GetBuffer(0, IID_PPV_ARGS(&dxgiSurface));
D2D1_RENDER_TARGET_PROPERTIES targetProperties = {};
targetProperties.type = D2D1_RENDER_TARGET_TYPE_DEFAULT;
targetProperties.pixelFormat.format = DXGI_FORMAT_UNKNOWN;
targetProperties.pixelFormat.alphaMode = D2D1_ALPHA_MODE_PREMULTIPLIED;
d2dFactory->CreateDxgiSurfaceRenderTarget(dxgiSurface.Get(), &targetProperties, &renderTarget);

swapChain->ResizeBuffers方法负责重置交换链管理的内存的大小（几个0参数的意义是不改变原有配置）。

交换链管理的内存变化了，就要重新创建renderTarget对象。

程序运行结果如下图所示：