使用 Win2D 实现融合效果

微软MVP实验室研究员

陈锦华

 微软最有价值专家（MVP） （Windows Development 方向），专注于 .NET 开发，有十多年的客户端开发经验。现在热衷于撰写博客，分享 WPF、UWP 和 Azure DevOps 相关的经验。

---

融合效果

在 CSS 中有一种实现融合效果的技巧，使用模糊滤镜（blur）叠加对比度滤镜（contrast）使两个接近的元素看上去“粘”在一起，如下图所示：

我一直对这种效果很感兴趣，总想自己亲自玩一玩，当然，是在自己熟悉的 Xaml 平台。这篇文章我将介绍如何使用 Win2D 在 UWP / WinUI 3 中实现融合效果。

使用 Win2D 实现融合效果

Win2D 是一个很简单使用的底层图形 Windows Runtime API。它利用了 Direct2D 的强大功能，并与 UWP 和 WinUI 3 的 Xaml 无缝集成，可以使用强大的渲染得到漂亮界面。UWP 和 WinUI 3 版本的 Nuget 安装脚本分别为：

Install-Package Win2D.uwp -Version 1.26.0

Install-Package Microsoft.Graphics.Win2D -Version 1.0.3.1

安装后将 CanvasControl 添加到 XAML 树中并订阅 CanvasControl.CreateResources 事件，这个事件在 CanvasControl 首次初始化时触发一次，可以在这个事件中创建画图需要的资源。现在我需要画两个圆，并对这两个圆应用 Effect，所以我用以下代码初始化了一些资源：

private ICanvasBrush _leftBrush;
private ICanvasBrush _rightBrush;
private ICanvasImage _image;
private GaussianBlurEffect _blurEffect;
 
private void OnCreateResource(CanvasControl sender, CanvasCreateResourcesEventArgs args)
{
    _leftBrush = new CanvasSolidColorBrush(sender, Colors.Black);
    _rightBrush = new CanvasSolidColorBrush(sender, Colors.Blue);
    _blurEffect = new GaussianBlurEffect
    {
        BlurAmount = 20f
    };
 
    _image = new ColorMatrixEffect
    {
        ColorMatrix = new Matrix5x4
        {
            M11 = 1,
            M12 = 0,
            M13 = 0,
            M14 = 0,
            M21 = 0,
            M22 = 1,
            M23 = 0,
            M24 = 0,
            M31 = 0,
            M32 = 0,
            M33 = 1,
            M34 = 0,
            M41 = 0,
            M42 = 0,
            M43 = 0,
            M44 = 18,
            M51 = 0,
            M52 = 0,
            M53 = 0,
            M54 = -7
        },
        Source = _blurEffect
    };
}

在上面的代码中我创建了一蓝一黑两个 CanvasSolidColorBrush，以及一个 GaussianBlurEffect 和一个 ColorMatrixEffect，前者作为后者的 Source。和 CSS 不同的是，Win2D 不是使用 ContrastEffect，而是使用 ColorMatrixEffect 实现融合效果（至于 ColorMatrixEffect 中的参数设置将在下一节中讲解）。下一步，订阅 CanvasControl 的 SizeChanged 事件并实时获得它的中间点：

private void OnCanvasSizeChanged(object sender, SizeChangedEventArgs e)
{
    _centerPoint = Canvas.ActualSize / 2;
}

最后，订阅 CanvasControl.Draw 事件，当 CanvasControl 首次变为可见时，将触发这个件一次，然后在需要重绘其内容时再次触发。下面的代码在 Draw 触发时用之前创建的资源画出两个圆。

private void OnDraw(CanvasControl sender, CanvasDrawEventArgs args)
{
    var source = new CanvasCommandList(sender);
    using (var drawingSession = source.CreateDrawingSession())
    {
        drawingSession.FillCircle(_centerPoint + new Vector2(-75, 0), 100, _leftBrush);
        drawingSession.FillCircle(_centerPoint + new Vector2(75, 0), 60, _rightBrush);
    }
 
    _blurEffect.Source = source;
    args.DrawingSession.DrawImage(_image);
}

上面的代码首先创建一个 CanvasCommandList，然后用它再创建 DrawingSession 并用 DrawingSession 的 FillCircle 画出两个圆形。接下来把 CanvasCommandList 作为输入源交给 GaussianBlurEffect 进行高斯模糊，而这个 GaussianBlurEffect 又是 ColorMatrixEffect 的输入源，相当于原始的图像应用过一次 GaussianBlurEffect 后，再应用用一次 ColorMatrixEffect。最后用 CanvasDrawEventArgs.DrawImage 将 ColorMatrixEffect 输出到 UI。最终效果如下：

如果在 OnDraw 的最后调用 CanvasControl.Invalidate 函数可以触发 CanvasControl 重绘，从而实现动画效果。利用这个方法，再加上一些计算，就可以实现融合融合效果的动画：

Win2D 中融合效果的原理

上面的代码实现了融合效果，但当我想换个颜色玩些新花样时却发现了诡异的状况，例如我将两个 Brush 改为 IndianRed（205, 92, 92） 和 PaleVioletRed（219, 112, 147），两个圆形居然变成了空心圆形：

虽然还挺好看的，而且会有很多种玩法，但这不符合我现在的预期。接着我又发现只要使用的颜色的 RGB 三个通道中有一个的值不是 0 或255，融合效果出来的颜色就会被改变，即 Blue(0, 0, 255) 不会改变， IndianRed(205, 92, 92) 会变成 (255, 255, 255) 。也就是说，现在我没办法准确控制融合效果的颜色。为了解决这个问题，我们需要从融合效果的原理开始入手。

▍GaussianBlurEffect

融合效果使用了 GaussianBlurEffect 和 ColorMatrixEffect 两个 Effect，先说说 GaussianBlurEffect 。GaussianBlurEffect 即高斯模糊效果，它用正态分布计算图像中每个像素的变换，每个像素的值都是周围相邻像素值的加权平均。原始像素的值有最大的高斯分布值，所以有最大的权重，相邻像素随着距离原始像素越来越远，其权重也越来越小。

上图左边是没应用任何 Effect 的图像，右边是应用了高斯模糊效果的图像。高斯模糊让两个圆形的边缘变得模糊，多了一圈半透明的像素。仔细观察两个黑色圆形的结合处，由于高斯模糊每个像素的值都是周围相邻像素值的加权平均，所以结合处的像素同时受左右两个圆形的影响， 产生了粘连的效果。

▍ColorMatrixEffect

融合效果的第二步，是提高图像的对比度，将上面右图中 Alpha 值超过某个阈值的半透明像素涂抹成完全不透明。这时候用到的是 ColorMatrixEffect。

ColorMatrixEffect 使用 Matrix5x4 修改图像的颜色。这个 Matrix5x4 的默认值是：

var identity = new Matrix5x4
{ 
    M11 = 1, M12 = 0, M13 = 0, M14 = 0,
    M21 = 0, M22 = 1, M23 = 0, M24 = 0,
    M31 = 0, M32 = 0, M33 = 1, M34 = 0,
    M41 = 0, M42 = 0, M43 = 0, M44 = 1,
    M51 = 0, M52 = 0, M53 = 0, M54 = 0
};

通过修改这个矩阵，可以控制输出图像的每一个像素的 ARGB 四个通道，具体的公式为：

result.R = (src.R * matrix.M11) + (src.G * matrix.M21) + (src.B * matrix.M31) + (src.A * matrix.M41) + matrix.M51
result.G = (src.R * matrix.M12) + (src.G * matrix.M22) + (src.B * matrix.M32) + (src.A * matrix.M42) + matrix.M52
result.B = (src.R * matrix.M13) + (src.G * matrix.M23) + (src.B * matrix.M33) + (src.A * matrix.M43) + matrix.M53
result.A = (src.R * matrix.M14) + (src.G * matrix.M24) + (src.B * matrix.M34) + (src.A * matrix.M44) + matrix.M54

假设我需要将图像中所有像素的 Alpha 指变为 0，根据上面的公式，只需要将 matrix.M44 设为 0 即可。

现在我们回过头来看看前文中实现融合效果的 ColorMatrixEffect。矩阵的前三列都保持默认值不变，即 RGB 三个通道不作改变，M44 设置为 18，M54 设置为 -7，根据公式即每个像素作了以下变换：

result.A =  (src.A * 18) -7

把这个公式输入计算器的绘图中，得到以下图形。

可以看到这个公式的输出几乎是一条垂直于 X 轴的直线，以这条直线为区分，X 值在这条线左边的结果为 0，在这条线右边的结果为 1。这是一个很明显的二值化操作。当这个 ColorMatrixEffect 应用在之前高斯模糊产生的图像上，由高斯模糊产生的 Alpha 通道大于 0 的像素要么都变得清晰，要么就消失不见（只剩下 Alpha 值为 0.39 到 0.45 之间的像素仍为半透明，用于消除形状边缘的锯齿），从而使两个圆型之前的衔接处变得清晰而平滑，这就实现了融合效果。

▍ClampOutput

但是这个 ColorMatrixEffect 并不是真正的二值化，而是将 Alpha 通道转换成一个远大于 1 或远小于 0 的值。当 Alpha 远大于 1 ，这个像素在 UI 上会变成透明或白色。究其原因，应该是因为 Win2D 图像效果使用直接和预乘 alpha 的混合，所以 Win2D 在某个环节做了类似下面这种处理：

result.R = source.R * source.A;
result.G = source.G * source.A;
result.B = source.B * source.A;
result.A = source.A;

结果在 Alpha 值远大于 1 的情况下， RGB 三个值不是 0 就是 1。即 Blue(0, 0, 255) 应用了这个 ColorMatrixEffect 后还是 Blue(0, 0, 255)，而 IndianRed(205, 92, 92) 会变成 (255, 255, 255)。为了应对这种情况， Win2D 在部分 Effect 中提供了 ClampOutput 属性，当它设置为 True 时，Effect 的输出都保持在 [0, 1] 范围内。应用在上面的 ColorMatrixEffect 上可确保输出的 Alpha 通道不会超出 [0, 1] 这个范围，避免了修改透明度以外的任何副作用。

关于预乘的更多信息，可以看这篇文章：

• Win2D: Premultiplied alpha

最后

将 ColorMatrixEffect.ClampOutput 设置为 True 后，Win2D 就可以使用任何颜色实现融合效果，这样玩法就更多了，例如下面这种：

虽然我之前也用 Win2D 做过一些东西，但这确实触及了我的知识盲区，尤其是 CanvasAnimatedControl 和 CanvasControl 的使用，所以我请教了我的朋友 火火 不少关键代码和概念，谢谢他的指导。

源码

• https://github.com/DinoChan/uwp_design_and_animation_lab

• https://github.com/DinoChan/winui3_design_and_animation_lab

参考资料

• 你所不知道的 CSS 滤镜技巧与细节

• cnbluefire_GooeyButton

• https://github.com/Microsoft/Win2D

• 颜色矩阵效果 - Win32 apps Microsoft Docs

• ColorMatrixEffect Class

• GaussianBlurEffect Class

---

微软最有价值专家（MVP）

微软最有价值专家是微软公司授予第三方技术专业人士的一个全球奖项。29年来，世界各地的技术社区领导者，因其在线上和线下的技术社区中分享专业知识和经验而获得此奖项。

MVP是经过严格挑选的专家团队，他们代表着技术最精湛且最具智慧的人，是对社区投入极大的热情并乐于助人的专家。MVP致力于通过演讲、论坛问答、创建网站、撰写博客、分享视频、开源项目、组织会议等方式来帮助他人，并最大程度地帮助微软技术社区用户使用 Microsoft 技术。

更多详情请登录官方网站：
https://mvp.microsoft.com/zh-cn

---

点击这里加入微软MVP~~