前言

说来这是个我和我老婆的爱情故事。

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：

• Direct2DFactory

• Direct2DDeviceContext

• DirectWriteFactory

• TransitionLibrary 动画库

• AnimationManager 动画管理器

• SwapChain

• WICImagingFactory2

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 Direct2DDeviceContext，这在 COM中的名字叫 ID2D1DeviceContext。

回到 Draw事件，它包含两个参数：(RenderWindowsender,DeviceContextctx)：

• 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 newVector2(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 WindowsAnimationManager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 switchexpression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

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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