CSharpGL(6)在OpenGL中绘制UI元素
CSharpGL(6)在OpenGL中绘制UI元素
2016-08-13
由于CSharpGL一直在更新,现在这个教程已经不适用最新的代码了。CSharpGL源码中包含10多个独立的Demo,更适合入门参考。
为了尽可能提升渲染效率,CSharpGL是面向Shader的,因此稍有难度。
主要内容
学习使用IUILayout接口及其机制,以实现在OpenGL中绘制UI元素。
以SimpleUIAxis为例演示如何使用IUILayout。
下载
您可以在(https://github.com/bitzhuwei/CSharpGL)找到最新的源码。欢迎感兴趣的同学fork之。
什么是OpenGL中的UI元素
您可以在源码中找到SimpleUIAxis这一示例。
如上图所示,有5个坐标轴,中间那个是一个普通的三维模型(元素),作为对照。
四个角上各有一个坐标轴,这四个坐标轴的位置是绑定到窗口对应的边的,即会随着窗口的缩放自动调整位置,就想Winform里的Control一样。这样的元素就称为OpenGL里的UI元素。
上面那个UI元素是立体的,一般我们在Winform里常见的UI都是二维的,像下面这个色标条一样。当然了,如果我们能实现上图中的三维的UI元素,自然就能实现二维的UI元素了。
IUILayout机制
接口
为实现UI元素,我的思路是:设计一个接口IUILayout,让那些应当作为UI元素布局的元素实现此接口,之后就可以通过简单地调用IUILayout的扩展方法来实现UI布局。
- 1 /// <summary>
- 2 /// 实现在OpenGL窗口中的UI布局
- 3 /// </summary>
- 4 public interface IUILayout
- 5 {
- 6 IUILayoutParam Param { get; set; }
- 7 }
一个UI元素,需要哪些参数呢?它需要知道它应绑定到窗口的上下左右哪边;需要知道其长度是固定的还是随窗口变化的;需要知道它是否应显示在所有元素的最前方(即不被其他元素覆盖)。
- 1 public struct IUILayoutParam
- 2 {
- 3
- 4 /// <summary>
- 5 /// the edges of the <see cref="GLCanvas"/> to which a UI’s rect is bound and determines how it is resized with its parent.
- 6 /// <para>something like AnchorStyles.Left | AnchorStyles.Bottom.</para>
- 7 /// </summary>
- 8 public System.Windows.Forms.AnchorStyles Anchor;
- 9
- 10 /// <summary>
- 11 /// Gets or sets the space between viewport and SimpleRect.
- 12 /// </summary>
- 13 public System.Windows.Forms.Padding Margin;
- 14
- 15 /// <summary>
- 16 /// Stores width when <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Left & <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Right is <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.None.
- 17 /// <para> and height when <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Top & <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Bottom is <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.None.</para>
- 18 /// </summary>
- 19 public System.Drawing.Size Size;
- 20
- 21 public int zNear;
- 22
- 23 public int zFar;
- 24
- 25 public IUILayoutParam(AnchorStyles anchorStyle, Padding padding, System.Drawing.Size size,
- 26 int zNear = -1000, int zFar = 1000)
- 27 {
- 28 // TODO: Complete member initialization
- 29 this.Anchor = anchorStyle;
- 30 this.Margin = padding;
- 31 this.Size = size;
- 32 this.zNear = zNear;
- 33 this.zFar = zFar;
- 34 }
- 35
- 36 }
熟悉Winform里控件的同学,一定常用Control.Anchor属性、Padding属性和Control.Size属性,这里我们完全借用了Winform现成的这三个数据结构。我希望这样能方便理解。
实现
实现UI布局的根本问题就是得到一个特殊的变换矩阵,能够让指定元素在窗口的固定位置显示(根据其UIParam值)。这个变换矩阵的计算过程有点长,其思路就是根据viewpoint大小和UI元素的布局设定(UIParam值),计算其应有的宽高及其在ortho()或perspective()中应有的参数。
- 1 public static class IUILayoutHelper
- 2 {
- 3 /// <summary>
- 4 /// 获取此UI元素的投影矩阵、视图矩阵和模型矩阵
- 5 /// </summary>
- 6 /// <param name="uiElement"></param>
- 7 /// <param name="projectionMatrix"></param>
- 8 /// <param name="viewMatrix"></param>
- 9 /// <param name="modelMatrix"></param>
- 10 /// <param name="camera">如果为null,会以glm.lookAt(new vec3(0, 0, 1), new vec3(0, 0, 0), new vec3(0, 1, 0))计算默认值。</param>
- 11 /// <param name="maxDepth">UI元素的外接球半径的倍数。</param>
- 12 public static void GetMatrix(this IUILayout uiElement,
- 13 out mat4 projectionMatrix, out mat4 viewMatrix, out mat4 modelMatrix,
- 14 IViewCamera camera = null, float maxDepth = 2.0f)
- 15 {
- 16 IUILayoutArgs args = uiElement.GetArgs();
- 17 float max = (float)Math.Max(args.UIWidth, args.UIHeight);
- 18
- 19 {
- 20 //projectionMatrix = glm.ortho((float)args.left, (float)args.right, (float)args.bottom, (float)args.top,
- 21 // TODO: / 2后与legacy opengl的UI元素显示就完全一致了。为什么???
- 22 projectionMatrix = glm.ortho((float)args.left / 2, (float)args.right / 2, (float)args.bottom / 2, (float)args.top / 2,
- 23 uiElement.Param.zNear, uiElement.Param.zFar);
- 24 // 下面注释掉的代码是用来测试legacy OpenGL的matrix与GLM库计算的matrix是否相同用的。已经证明了两者完全相同,此处仅作留念+以防万一。
- 25 //{
- 26 // float[] matrix = new float[16];
- 27
- 28 // GL.MatrixMode(GL.GL_PROJECTION);
- 29 // GL.PushMatrix();
- 30 // GL.GetFloat(GetTarget.ProjectionMatrix, matrix);
- 31
- 32 // GL.LoadIdentity();
- 33 // GL.GetFloat(GetTarget.ProjectionMatrix, matrix);
- 34
- 35 // GL.Ortho(args.left / 2, args.right / 2, args.bottom / 2, args.top / 2, uiElement.Param.zNear, uiElement.Param.zFar);
- 36 // GL.GetFloat(GetTarget.ProjectionMatrix, matrix);// this equals projectionMatrix
- 37
- 38 // GL.PopMatrix();
- 39 //}
- 40 // 把UI元素移到ortho长方体的最靠近camera的地方,这样就可以把UI元素放到OpenGL最前方。
- 41 projectionMatrix = glm.translate(projectionMatrix, new vec3(0, 0, uiElement.Param.zFar - max / 2 * maxDepth));
- 42 }
- 43 {
- 44 // UI元素不在三维场景中,所以其Camera可以是null。
- 45 if (camera == null)
- 46 {
- 47 //viewMatrix = glm.lookAt(new vec3(0, 0, 1), new vec3(0, 0, 0), new vec3(0, 1, 0));
- 48 viewMatrix = glm.lookAt(
- 49 Camera.defaultPosition,
- 50 Camera.defaultTarget,
- 51 Camera.defaultUpVector);
- 52 }
- 53 else
- 54 {
- 55 vec3 position = camera.Position - camera.Target;
- 56 position.Normalize();
- 57 viewMatrix = glm.lookAt(position, new vec3(0, 0, 0), camera.UpVector);
- 58 }
- 59 // 下面注释掉的代码是用来测试legacy OpenGL的matrix与GLM库计算的matrix是否相同用的。已经证明了两者完全相同,此处仅作留念+以防万一。
- 60 //{
- 61 // float[] matrix = new float[16];
- 62
- 63 // GL.MatrixMode(GL.GL_MODELVIEW);
- 64 // GL.PushMatrix();
- 65 // GL.GetFloat(GetTarget.ModelviewMatix, matrix);
- 66
- 67 // GL.LoadIdentity();
- 68 // GL.GetFloat(GetTarget.ModelviewMatix, matrix);
- 69
- 70 // if(camera==null)
- 71 // {
- 72 // GL.gluLookAt(0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0);
- 73 // }
- 74 // else
- 75 // {
- 76 // vec3 position = camera.Position - camera.Target;
- 77 // position.Normalize();
- 78 // GL.gluLookAt(position.x, position.y, position.z, 0, 0, 0, camera.UpVector.x, camera.UpVector.y, camera.UpVector.z);
- 79 // }
- 80 // GL.GetFloat(GetTarget.ModelviewMatix, matrix);// this equals viewMatrix
- 81
- 82 // GL.PopMatrix();
- 83 //}
- 84 }
- 85 {
- 86 modelMatrix = glm.scale(mat4.identity(), new vec3(args.UIWidth / 2, args.UIHeight / 2, max / 2));
- 87 // 下面注释掉的代码是用来测试legacy OpenGL的matrix与GLM库计算的matrix是否相同用的。已经证明了两者完全相同,此处仅作留念+以防万一。
- 88 //{
- 89 // float[] matrix = new float[16];
- 90
- 91 // GL.MatrixMode(GL.GL_MODELVIEW);
- 92 // GL.PushMatrix();
- 93 // GL.GetFloat(GetTarget.ModelviewMatix, matrix);
- 94
- 95 // GL.LoadIdentity();
- 96 // GL.GetFloat(GetTarget.ModelviewMatix, matrix);
- 97
- 98 // GL.Scale(args.UIWidth / 2, args.UIHeight / 2, max / 2);
- 99 // GL.GetFloat(GetTarget.ModelviewMatix, matrix);// this equals modelMatrix
- 100
- 101 // GL.PopMatrix();
- 102 //}
- 103 }
- 104 }
- 105
- 106
- 107 /// <summary>
- 108 /// leftRightAnchor = (AnchorStyles.Left | AnchorStyles.Right);
- 109 /// </summary>
- 110 const AnchorStyles leftRightAnchor = (AnchorStyles.Left | AnchorStyles.Right);
- 111
- 112 /// <summary>
- 113 /// topBottomAnchor = (AnchorStyles.Top | AnchorStyles.Bottom);
- 114 /// </summary>
- 115 const AnchorStyles topBottomAnchor = (AnchorStyles.Top | AnchorStyles.Bottom);
- 116
- 117 /// <summary>
- 118 /// 获取为UI元素布局所需的参数对象。
- 119 /// </summary>
- 120 /// <param name="uiElement"></param>
- 121 /// <returns></returns>
- 122 public static IUILayoutArgs GetArgs(this IUILayout uiElement)
- 123 {
- 124 var args = new IUILayoutArgs();
- 125
- 126 CalculateViewport(args);
- 127
- 128 CalculateCoords(uiElement, args.viewportWidth, args.viewportHeight, args);
- 129
- 130 return args;
- 131 }
- 132
- 133 /// <summary>
- 134 /// 计算opengl画布的大小。
- 135 /// </summary>
- 136 /// <param name="args"></param>
- 137 static void CalculateViewport(IUILayoutArgs args)
- 138 {
- 139 int[] viewport = new int[4];
- 140 GL.GetInteger(GetTarget.Viewport, viewport);
- 141 args.viewportWidth = viewport[2];
- 142 args.viewportHeight = viewport[3];
- 143 }
- 144
- 145 /// <summary>
- 146 /// 根据UI元素的布局设定,计算其应有的宽高及其在ortho()中应有的参数。
- 147 /// </summary>
- 148 /// <param name="uiElement"></param>
- 149 /// <param name="viewportWidth"></param>
- 150 /// <param name="viewportHeight"></param>
- 151 /// <param name="args"></param>
- 152 static void CalculateCoords(IUILayout uiElement, int viewportWidth, int viewportHeight, IUILayoutArgs args)
- 153 {
- 154 IUILayoutParam param = uiElement.Param;
- 155
- 156 if ((param.Anchor & leftRightAnchor) == leftRightAnchor)
- 157 {
- 158 args.UIWidth = viewportWidth - param.Margin.Left - param.Margin.Right;
- 159 if (args.UIWidth < 0) { args.UIWidth = 0; }
- 160 }
- 161 else
- 162 {
- 163 args.UIWidth = param.Size.Width;
- 164 }
- 165
- 166 if ((param.Anchor & topBottomAnchor) == topBottomAnchor)
- 167 {
- 168 args.UIHeight = viewportHeight - param.Margin.Top - param.Margin.Bottom;
- 169 if (args.UIHeight < 0) { args.UIHeight = 0; }
- 170 }
- 171 else
- 172 {
- 173 args.UIHeight = param.Size.Height;
- 174 }
- 175
- 176 if ((param.Anchor & leftRightAnchor) == AnchorStyles.None)
- 177 {
- 178 args.left = -(args.UIWidth / 2
- 179 + (viewportWidth - args.UIWidth)
- 180 * ((double)param.Margin.Left / (double)(param.Margin.Left + param.Margin.Right)));
- 181 }
- 182 else if ((param.Anchor & leftRightAnchor) == AnchorStyles.Left)
- 183 {
- 184 args.left = -(args.UIWidth / 2 + param.Margin.Left);
- 185 }
- 186 else if ((param.Anchor & leftRightAnchor) == AnchorStyles.Right)
- 187 {
- 188 args.left = -(viewportWidth - args.UIWidth / 2 - param.Margin.Right);
- 189 }
- 190 else // if ((Anchor & leftRightAnchor) == leftRightAnchor)
- 191 {
- 192 args.left = -(args.UIWidth / 2 + param.Margin.Left);
- 193 }
- 194
- 195 if ((param.Anchor & topBottomAnchor) == AnchorStyles.None)
- 196 {
- 197 args.bottom = -viewportHeight / 2;
- 198 args.bottom = -(args.UIHeight / 2
- 199 + (viewportHeight - args.UIHeight)
- 200 * ((double)param.Margin.Bottom / (double)(param.Margin.Bottom + param.Margin.Top)));
- 201 }
- 202 else if ((param.Anchor & topBottomAnchor) == AnchorStyles.Bottom)
- 203 {
- 204 args.bottom = -(args.UIHeight / 2 + param.Margin.Bottom);
- 205 }
- 206 else if ((param.Anchor & topBottomAnchor) == AnchorStyles.Top)
- 207 {
- 208 args.bottom = -(viewportHeight - args.UIHeight / 2 - param.Margin.Top);
- 209 }
- 210 else // if ((Anchor & topBottomAnchor) == topBottomAnchor)
- 211 {
- 212 args.bottom = -(args.UIHeight / 2 + param.Margin.Bottom);
- 213 }
- 214 }
- 215 }
IUILayoutHelper
如何使用
示例SimpleUIAxis
以本文开头的坐标轴元素为例。这个例子很常用,所以我放到CSharpGL.UIs类库里了,顺便可以作为参考。SimpleUIAxis实现了IUILayout,说明它想要实现UI布局;实现了IMVP,说明它要通过指定mvp矩阵的方式来设置自己的位置。
- 1 /// <summary>
- 2 /// 用一个<see cref="AxisElement"/>绘制一个固定在窗口某处的坐标系。
- 3 /// </summary>
- 4 public class SimpleUIAxis : SceneElementBase, IUILayout, IMVP, IDisposable
- 5 {
- 6 public AxisElement axisElement;
- 7
- 8 /// <summary>
- 9 ///
- 10 /// </summary>
- 11 /// <param name="anchor">the edges of the viewport to which a SimpleUIRect is bound and determines how it is resized with its parent.
- 12 /// <para>something like AnchorStyles.Left | AnchorStyles.Bottom.</para></param>
- 13 /// <param name="margin">the space between viewport and SimpleRect.</param>
- 14 /// <param name="size">Stores width when <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Left & <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Right is <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.None.
- 15 /// <para> and height when <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Top & <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.Bottom is <see cref="OpenGLUIRect.Anchor"/>.None.</para></param>
- 16 /// <param name="zNear"></param>
- 17 /// <param name="zFar"></param>
- 18 /// <param name="rectColor">default color is red.</param>
- 19 public SimpleUIAxis(IUILayoutParam param, GLColor rectColor = null,
- 20 float radius = 0.3f, float axisLength = 10, int faceCount = 10)
- 21 {
- 22 // 把AxiesElement缩放到恰好放进此UI
- 23 radius = radius / axisLength / 2;
- 24 axisLength = 0.5f;
- 25 this.axisElement = new AxisElement(radius, axisLength, faceCount);
- 26
- 27 IUILayout layout = this;
- 28 layout.Param = param;
- 29 }
- 30
- 31 #region IDisposable Members
- 32
- 33 /// <summary>
- 34 /// Internal variable which checks if Dispose has already been called
- 35 /// </summary>
- 36 protected Boolean disposed;
- 37
- 38 /// <summary>
- 39 /// Releases unmanaged and - optionally - managed resources
- 40 /// </summary>
- 41 /// <param name="disposing"><c>true</c> to release both managed and unmanaged resources; <c>false</c> to release only unmanaged resources.</param>
- 42 protected void Dispose(Boolean disposing)
- 43 {
- 44 if (disposed)
- 45 {
- 46 return;
- 47 }
- 48
- 49 if (disposing)
- 50 {
- 51 //Managed cleanup code here, while managed refs still valid
- 52 this.axisElement.Dispose();
- 53 }
- 54 //Unmanaged cleanup code here
- 55
- 56 disposed = true;
- 57 }
- 58
- 59 /// <summary>
- 60 /// Performs application-defined tasks associated with freeing, releasing, or resetting unmanaged resources.
- 61 /// </summary>
- 62 public void Dispose()
- 63 {
- 64 // Call the private Dispose(bool) helper and indicate
- 65 // that we are explicitly disposing
- 66 this.Dispose(true);
- 67
- 68 // Tell the garbage collector that the object doesn't require any
- 69 // cleanup when collected since Dispose was called explicitly.
- 70 GC.SuppressFinalize(this);
- 71 }
- 72
- 73 #endregion
- 74
- 75 #region IUILayout
- 76
- 77 public IUILayoutParam Param { get; set; }
- 78
- 79 #endregion IUILayout
- 80
- 81
- 82 protected override void DoInitialize()
- 83 {
- 84 this.axisElement.Initialize();
- 85
- 86 this.BeforeRendering += this.GetSimpleUI_BeforeRendering();
- 87 this.AfterRendering += this.GetSimpleUI_AfterRendering();
- 88 }
- 89
- 90 protected override void DoRender(RenderEventArgs e)
- 91 {
- 92 this.axisElement.Render(e);
- 93 }
- 94
- 95 void IMVP.SetShaderProgram(mat4 mvp)
- 96 {
- 97 IMVP element = this.axisElement as IMVP;
- 98 element.SetShaderProgram(mvp);
- 99 }
- 100
- 101
- 102 void IMVP.ResetShaderProgram()
- 103 {
- 104 IMVP element = this.axisElement as IMVP;
- 105 element.ResetShaderProgram();
- 106 }
- 107
- 108 ShaderProgram IMVP.GetShaderProgram()
- 109 {
- 110 return ((IMVP)this.axisElement).GetShaderProgram();
- 111 }
- 112 }
SimpleUIAxis
这里我还为BeforeRendering和AfterRendering事件提供了一个默认的事件函数。有了它,连BeforeRendering和AfterRendering事件函数都不用再写了。
- 1 public static class IUILayoutRenderingHelper
- 2 {
- 3 private static readonly object synObj = new object();
- 4 private static EventHandler<RenderEventArgs> simpleUIAxis_BeforeRendering = null;
- 5 private static EventHandler<RenderEventArgs> simpleUIAxis_AfterRendering = null;
- 6
- 7 /// <summary>
- 8 /// 对Xxx : SceneElementBase, IUILayout, IMVP有效的After事件。
- 9 /// <para>此处用泛型方法是为了让编译器检测where约束条件,这样就没有“坑”了。</para>
- 10 /// </summary>
- 11 /// <typeparam name="T"></typeparam>
- 12 /// <param name="element"></param>
- 13 /// <returns></returns>
- 14 public static EventHandler<RenderEventArgs> GetSimpleUI_AfterRendering<T>(this T element)
- 15 where T : SceneElementBase, IUILayout, IMVP
- 16 {
- 17 if (simpleUIAxis_AfterRendering == null)
- 18 {
- 19 lock (synObj)
- 20 {
- 21 if (simpleUIAxis_AfterRendering == null)
- 22 {
- 23 simpleUIAxis_AfterRendering = new EventHandler<RenderEventArgs>(SimpleUI_AfterRendering);
- 24 }
- 25 }
- 26 }
- 27
- 28 return simpleUIAxis_AfterRendering;
- 29 }
- 30
- 31 /// <summary>
- 32 /// 对Xxx : SceneElementBase, IUILayout, IMVP有效的Before事件。
- 33 /// <para>此处用泛型方法是为了让编译器检测where约束条件,这样就没有“坑”了。</para>
- 34 /// </summary>
- 35 /// <typeparam name="T"></typeparam>
- 36 /// <param name="element"></param>
- 37 /// <returns></returns>
- 38 public static EventHandler<RenderEventArgs> GetSimpleUI_BeforeRendering<T>(this T element)
- 39 where T : SceneElementBase, IUILayout, IMVP
- 40 {
- 41 if (simpleUIAxis_BeforeRendering == null)
- 42 {
- 43 lock (synObj)
- 44 {
- 45 if (simpleUIAxis_BeforeRendering == null)
- 46 {
- 47 simpleUIAxis_BeforeRendering = new EventHandler<RenderEventArgs>(SimpleUI_BeforeRendering);
- 48 }
- 49 }
- 50 }
- 51
- 52 return simpleUIAxis_BeforeRendering;
- 53 }
- 54
- 55 static void SimpleUI_AfterRendering(object sender, RenderEventArgs e)
- 56 {
- 57 IMVP element = sender as IMVP;
- 58 element.ResetShaderProgram();
- 59 }
- 60
- 61 static void SimpleUI_BeforeRendering(object sender, RenderEventArgs e)
- 62 {
- 63 mat4 projectionMatrix, viewMatrix, modelMatrix;
- 64 {
- 65 IUILayout element = sender as IUILayout;
- 66 element.GetMatrix(out projectionMatrix, out viewMatrix, out modelMatrix, e.Camera);
- 67 }
- 68
- 69 {
- 70 IMVP element = sender as IMVP;
- 71 element.SetShaderProgram(projectionMatrix * viewMatrix * modelMatrix);
- 72 }
- 73 }
- 74 }
IUILayoutRenderingHelper
总结
元素的UI布局是一个很实用的功能。所以我尽早地为其写了此篇说明。有什么问题请留言。
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