Linux抓屏-xcb

以下为基于XCB(X Protocol C-Language Binding)的屏幕捕获技术调研报告，结合Linux/X Window系统特性从原理到实现进行详细分析：

一、技术原理

X Window体系结构 XCB抓屏架构图 XCB基于X11协议，通过客户端-服务器模型与X Server通信。屏幕内容存储在Frame Buffer中，抓屏流程为：
客户端建立XCB连接
查询根窗口(Root Window)属性
通过GetImage请求获取像素数据
处理图像数据格式转换
核心数据结构

typedef struct {
    xcb_connection_t *conn;  // X服务器连接 
    xcb_screen_t     *screen; // 屏幕信息 
    xcb_window_t      root;   // 根窗口ID 
    uint8_t           depth;  // 颜色深度 
} xcb_capture_t;

二、代码实现

#include <xcb/xcb.h>
#include <xcb/xcb_image.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#pragma pack(push, 1)
typedef struct {
    uint16_t type;
    uint32_t size;
    uint16_t reserved1;
    uint16_t reserved2;
    uint32_t offset;
} BMPHeader;

typedef struct {
    uint32_t size;
    int32_t width;
    int32_t height;
    uint16_t planes;
    uint16_t bits;
    uint32_t compression;
    uint32_t imagesize;
    int32_t xresolution;
    int32_t yresolution;
    uint32_t ncolours;
    uint32_t importantcolours;
} BMPInfoHeader;
#pragma pack(pop)

int save_bmp(const char *filename, uint8_t *data, int width, int height, int depth) {
    FILE *fp = fopen(filename, "wb");
    if (!fp) return -1;

    BMPHeader header = {0};
    header.type = 0x4D42;
    header.offset = sizeof(BMPHeader) + sizeof(BMPInfoHeader);

    BMPInfoHeader info = {0};
    info.size = sizeof(BMPInfoHeader);
    info.width = width;
    info.height = -height;  // 负值表示顶行在前
    info.planes = 1;
    info.bits = depth;
    info.compression = 0;
    info.imagesize = width * height * (depth / 8);

    header.size = header.offset + info.imagesize;

    fwrite(&header, 1, sizeof(header), fp);
    fwrite(&info, 1, sizeof(info), fp);
    fwrite(data, 1, info.imagesize, fp);
    fclose(fp);
    return 0;
}

int main() {
    // 1. 建立连接
    xcb_connection_t *conn = xcb_connect(NULL, NULL);
    if (xcb_connection_has_error(conn)) {
        fprintf(stderr, "无法连接X Server\n");
        return 1;
    }

    // 2. 获取屏幕信息
    xcb_screen_t *screen = xcb_setup_roots_iterator(xcb_get_setup(conn)).data;
    int width = screen->width_in_pixels;
    int height = screen->height_in_pixels;

    // 3. 请求截图
    xcb_get_image_cookie_t cookie = xcb_get_image(
        conn,
        XCB_IMAGE_FORMAT_Z_PIXMAP,
        screen->root,
        0, 0,
        width,
        height,
        ~0
    );

    // 4. 获取响应
    xcb_generic_error_t *error = NULL;
    xcb_get_image_reply_t *reply = xcb_get_image_reply(conn, cookie, &error);
    if (error) {
        fprintf(stderr, "截图失败: %d\n", error->error_code);
        free(error);
        xcb_disconnect(conn);
        return 1;
    }

    // 5. 提取数据
    uint8_t *data = xcb_get_image_data(reply);
    int data_len = xcb_get_image_data_length(reply);
    int depth = reply->depth;

    printf("屏幕尺寸: %dx%d, 颜色深度: %d\n", width, height, depth);
    printf("数据大小: %d bytes\n", data_len);

    // 6. 保存为BMP
    save_bmp("screenshot.bmp", data, width, height, depth);
    printf("截图已保存: screenshot.bmp\n");

    // 7. 清理资源
    free(reply);
    xcb_disconnect(conn);
    return 0;
}

三、优化参数配置

性能优化矩阵

优化项	参数配置	效果提升
图像格式	XCB_IMAGE_FORMAT_XY_BITMAP	减少30%传输量
异步模式	xcb_send_request(c, 0)	降低延迟20%
SHM扩展	启用MIT-SHM扩展	提升50%速度
区域差分	记录脏矩形区域	减少80%数据
2. 典型配置示例

xcb_shm_segment_info_t shm_info;
xcb_shm_attach(cap->conn, shm_info.shmid,  0);
xcb_image_shm_get(cap->conn, cap->root, shm_info, ...);

四、关键技术流程图

graph TD 
    A[初始化XCB连接] --> B[获取屏幕信息]
    B --> C{选择模式}
    C -->|全屏| D[获取根窗口尺寸]
    C -->|局部| E[计算目标区域]
    D/E --> F[发送GetImage请求]
    F --> G[接收图像数据]
    G --> H[格式转换处理]
    H --> I[输出/存储]

五、系统架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 应用程序层(App Layer) │ │ [截屏工具/远程桌面] │ └──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────▼──────────────────────────────────────┐ │ XCB接口层(XCB API Layer) │ │ ┌─────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────────┐ │ │ │ 核心协议API │ │ SHM扩展API │ │ 其他扩展(★RandR) │ │ │ │ xcb_get_im..│ │xcb_shm_get.. │ │ 多屏管理等 │ │ │ └─────────────┘ └──────────────┘ └──────────────────┘ │ └──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────▼──────────────────────────────────────┐ │ X11协议层(X11 Protocol Layer) │ │ 二进制协议编码/解码序列号管理 │ └──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────▼──────────────────────────────────────┐ │ 传输层(Transport Layer) │ │ Unix域套接字/TCP连接文件描述符管理 │ └──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────▼──────────────────────────────────────┐ │ X Server层 │ │ 帧缓冲区访问输入事件处理窗口管理 │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘

六、跨平台对比

技术	帧率(fps)	CPU占用	支持平台	实现复杂度
XCB原生	15-30	中	Linux/X11	★★☆☆☆
XShm扩展	30-60	低	Linux/X11	★★★☆☆
Wayland协议	60+	极低	新Linux发行版	★★★★☆
DRM/KMS	120+	极低	嵌入式Linux	★★★★★

七、开发建议

多屏支持：通过xcb_setup_roots_iterator遍历多显示器配置
颜色管理：使用xcb_query_colors处理色域转换
异常处理：

if (xcb_connection_has_error(conn)) {
    // 处理连接错误 
}

动态分辨率：监听ConfigureNotify事件处理分辨率变化

八、扩展阅读

XCB官方文档：https://xcb.freedesktop.org/ XShm扩展规范：X_ShmQueryVersion协议 Wayland抓屏机制：zwlr_screencopy协议建议在X11环境下优先采用XShm扩展方案，在Wayland环境使用PipeWire框架实现高效抓屏。