渲染性能与曲线平滑¶

当曲线只有几千个点时，怎么画都很快；当数据涨到几十万、上百万点，或者要以每秒几十帧的速度滚动刷新时，卡顿、毛刺、拖影就会一个个冒出来。下面的章节按照绘制管线展开：先说明一条曲线从数据到像素经过哪些步骤，再依次介绍降采样、渲染平滑、硬件加速和实时更新的处理方式，最后是数据侧的配合和一份调优清单。

QWT 7 的默认配置已经做了最重要的优化（降采样默认开启），多数应用不需要任何设置；需要进一步调整时，再按下面各节逐步处理。

算法原理与实验数据见各节链接的技术报告。

优化清单（先看结论）¶

按症状找到对应的处理方式：

症状	手段	章节
大数据量曲线重绘慢、拖动卡	确认 `FilterPointsLTTB` 开启（默认已开）；必要时换 `FilterPointsPixel`	第 2 节
曲线画出来像一条"噪声带"	开启渲染平滑 `setSmoothAlgorithm()`	第 3 节
平滑后担心峰被削矮	保持默认的特征保护阈值 `setSmoothPreserveThreshold(3.0)`	第 3 节
曲线极多、重绘仍是瓶颈	换 OpenGL 画布 `QwtPlotOpenGLCanvas`	第 4 节
高频追加数据（示波器类）	`QwtPlotDirectPainter` 增量绘制，避免整图 replot	第 5 节
平移大场景时拖影/卡顿	在实时平移 `QwtPlotPanner` 与缓存平移 `QwtPlotCachePanner` 之间切换	第 5 节
想榨干最后一滴性能	用原始指针数据源（`setRawSamples`）触发 SIMD 快路径；保证 x 单调	第 6 节

1. 理解渲染管线¶

优化的前提是知道时间花在哪里。一条 QwtPlotCurve 从数据到像素要经过这样几步：

flowchart LR
    A["采样数据<br/>N 个点"] --> B["可见区间裁剪<br/>二分查找 O(log N)"]
    B --> C["降采样<br/>N 点 → 约 4W 点<br/>(W = 画布像素宽)"]
    C --> D["渲染平滑<br/>低通滤波 + 特征保护"]
    D --> E["多边形裁剪<br/>ClipPolygons"]
    E --> F["QPainter 光栅化<br/>或 OpenGL 画布"]

每一步都有自己的职责与开关：

可见区间裁剪：画布外的点根本不会参与绘制。前提是数据按 x 单调排列，单调时只需两次二分查找，乱序数据则退化为全量扫描。
降采样：把可见的 N 个点压缩到约 4W 个（W 是画布像素列数）。这是大数据量场景收益最大的一步，由 PaintAttribute 控制（第 2 节）。
渲染平滑：对降采样后的折线做低通滤波，去掉像素级毛刺，由 setSmoothAlgorithm() 控制（第 3 节）。
多边形裁剪与光栅化：默认走 QPainter 软件光栅化；可整体切换到 OpenGL 画布（第 4 节）。

屏幕只有那么多像素。一块 900 像素宽的画布最多表现 900 列像素，一百万个点里绝大多数落在相同的像素列上，把它们全部交给光栅化器纯属浪费。降采样就是"在画得出来的精度内，只画必要的点"。

2. 降采样：驯服百万点曲线¶

默认行为：什么都不用做¶

QWT 7 的 QwtPlotCurve 默认开启 ClipPolygons | FilterPointsLTTB 两个绘制属性。FilterPointsLTTB 使用"MinMax 桶"算法：把可见数据按索引分成约 2W 个桶，每个桶保留最小值和最大值两个点。这样一百万点的曲线，真正参与绘制的只有约 3600 个点（900 像素宽画布），任何尖峰都不会丢失，因为每个桶的极值必然被保留。

仓库自带的基准示例 examples/bench/renderbench 用一百万点实测了各方案的耗时（680×490 画布、100 帧）：

方法	单帧耗时	FPS
无降采样	262.1 ms	3.8
`FilterPoints`（仅去重复点）	444.7 ms	2.2
`FilterPointsAggressive`（Quad 归并）	175.4 ms	5.7
`FilterPointsPixel`（像素列归并）	232.2 ms	4.3
`FilterPointsLTTB`（默认，MinMax 桶）	133.5 ms	7.5

注意 FilterPoints 比不降采样还慢：它只剔除完全重合的点，百万点里几乎没有重合点，过滤检查反而成了纯开销。

动手：显式控制降采样属性¶

下面的代码演示如何通过 QwtPlotCurve::setPaintAttribute() 显式控制降采样：ClipPolygons 与 FilterPointsLTTB 默认已开启，纯噪声信号则可切换到像素列过滤 FilterPointsPixel。

#include <qwt_plot_curve.h>

QwtPlotCurve* curve = new QwtPlotCurve("sensor-a");
curve->setSamples(xData, yData, 1000000);   // 一百万点
curve->attach(plot);

// 默认已开启，显式写出便于阅读
curve->setPaintAttribute(QwtPlotCurve::ClipPolygons, true);
curve->setPaintAttribute(QwtPlotCurve::FilterPointsLTTB, true);

// 想要像素级最稳的包络（如纯噪声信号）时，切换到像素列桶
// curve->setPaintAttribute(QwtPlotCurve::FilterPointsPixel, true);
// curve->setPaintAttribute(QwtPlotCurve::FilterPointsLTTB, false);

多个过滤属性同时开启时，内部按 FilterPointsPixel > FilterPointsLTTB > FilterPointsAggressive 的优先级裁决，建议一次只开一个。

两种主力算法怎么选¶

	`FilterPointsLTTB`（默认）	`FilterPointsPixel`
分桶方式	按数据索引等分	按屏幕像素列
保留内容	每桶的最小/最大值（真实 x 位置）	每列的首/最小/最大/末点（固定亚像素位）
强项	形状保真、导出 PDF/SVG 时几何精确	像素级包络最稳（噪声信号）
适合	绝大多数波形、频谱、趋势线	接近纯白噪声的信号、追求整数像素对齐

用 renderbench 亲手验证¶

examples/bench/renderbench 是专门的对比工具：可调数据量（1,000 – 10,000,000 点）、帧数与波形，Run All (Compare) 一键跑完全部五种方法并弹出 Markdown 报告；在同一批数据下切换 Method 可以对比窄峰的保留差异。

renderbench 示例：五种降采样算法的实时基准对比

深入了解：算法推导、SIMD 加速与像素级保真度实验见技术报告《LTTB 降采样算法原理与 QWT7 的 MinMax 桶实现》。

提示 — 降采样之后仍然有台阶？

如果密集的抗锯齿曲线在平缓斜边上出现一像素台阶，而同一数据的粗采样版本却平滑，那么原因不是降采样算法，而是顶点像素吸附。参见《曲线像素对齐：为什么点越多反而越"锯齿"》，那里给出了全局开关的一行代码和各算法的注意事项。

3. 渲染平滑：去掉像素级噪声¶

为什么降采样之后还有毛刺¶

MinMax 桶"保留每桶极值"的性质有一个副作用：随机噪声的极值也被完整保留。十万点的含噪频谱降采样后，噪声带平均仍有 65 像素行厚，曲线看起来像一条毛糙的带子，而不是一条线。

渲染平滑解决这个问题：它在绘制管线中对降采样后的折线做低通滤波，只改绘制出的像素，data() 里的原始采样分毫未动，分析与导出仍然使用原始值。

动手：开启平滑¶

下面的代码在十万点含噪频谱上开启渲染平滑：setSmoothAlgorithm() 选择高斯低通，setSmoothWindow() 设定窗口大小，setSmoothPreserveThreshold() 控制特征保护阈值。

QwtPlotCurve* curve = new QwtPlotCurve("spectrum");
curve->setSamples(samples);                                    // 100,000 点含噪频谱
curve->setPaintAttribute(QwtPlotCurve::FilterPointsLTTB, true); // 先降采样

curve->setSmoothAlgorithm(QwtPlotCurve::GaussianSmoothing);     // 高斯低通
curve->setSmoothWindow(15);            // 窗口 15 个折线点（默认 9）
curve->setSmoothPreserveThreshold(3.0); // 特征保护阈值（默认 3.0，0 = 关闭）
curve->attach(plot);

实测效果（100,000 点频谱、900×500 画布）：噪声带从 65.4 像素行收敛到 6.1 像素行，而窄峰的峰顶、深谷的谷底与未平滑渲染逐像素行一致。这就是特征保护的作用：超过噪声尺度约 2 倍的结构会被完整恢复到原始位置和高度。

高斯还是 Savitzky-Golay¶

	`GaussianSmoothing`	`SavitzkyGolaySmoothing`
噪声抑制	最强（残余约为输入的 29%）	较弱（约 39%，同窗口）
保峰能力	窄峰会被削矮（有闭式衰减公式）	强得多（多项式保持）
适合	常规去噪：频谱、采集信号	窄峰密集的谱线、色谱
补充参数	—	`setSmoothPolynomialOrder(3)`，2 与 3 等价

选择口诀：看噪声选高斯，看峰形选 Savitzky-Golay；后者噪声偏大时把窗口加宽（21–31）即可补回。

用 curvesmoothing 示例交互调参¶

examples/2D/curvesmoothing 把两种算法、窗口、阶数、特征保护阈值全部做成了实时控件，并排显示"默认渲染 vs 平滑渲染"，还带 Run Benchmark 按钮（各跑 50 次 replot 计时）。把 Preserve 调到 0 可以直观看到窄峰"矮一截"，这就是特征保护存在的意义。

curvesmoothing 示例：100,000 点噪声频谱的平滑对比

深入了解：两种滤波核的完整推导（矩条件、噪声增益恒等式、峰值衰减定理）与特征保护算法见技术报告《曲线渲染平滑：高斯卷积、Savitzky-Golay 回归与特征保护》。

4. 硬件加速：OpenGL 画布¶

降采样解决"点太多"，OpenGL 画布解决"画得太慢"：把光栅化从 CPU（QPainter）搬到 GPU。做法是换掉画布，其余代码零改动：

#include <qwt_plot_opengl_canvas.h>

auto* canvas = new QwtPlotOpenGLCanvas(plot);
plot->setCanvas(canvas);   // 曲线、坐标轴等全部照常使用

适用判断：

值得换：多条大曲线高频重绘（实时监控）、软件光栅化明显吃满一个 CPU 核（refreshtest 示例可直接对比两种画布的帧率）；
不必换：静态图、导出图片/PDF（导出走 QwtPlotRenderer，与画布无关）、对 GPU 环境有兼容性顾虑的部署。

OpenGL 画布的 CMake 依赖配置、表面格式定制等完整说明见 OpenGL 画布。

refreshtest 示例：画布刷新率对比

5. 实时更新与交互¶

增量绘制：QwtPlotDirectPainter¶

示波器类应用每秒追加成千上万个点。每次追加都 replot() 整幅图是巨大的浪费，QwtPlotDirectPainter 只把新增的部分直接画到画布上：

#include <qwt_plot_directpainter.h>

auto* directPainter = new QwtPlotDirectPainter(plot);
directPainter->setClipping(true);

// 数据追加后，只绘制新增区间，而不是整条曲线
directPainter->draw(curve, fromIndex, toIndex);

examples/2D/oscilloscope 与 examples/2D/realtime 演示了完整用法：滚动窗口 + 增量绘制 + 周期性全量 replot 校正。

oscilloscope 示例：增量绘制的示波器

realtime 示例：60 FPS 的实时数据流

交互工具的性能取向¶

工具	行为	性能特点
`QwtPlotPanner`	拖动时实时重绘	体验最好；场景重时可能掉帧
`QwtPlotCachePanner`	拖动时移动像素缓存，松手才重绘	再重的场景也不卡；拖动中看到的是缓存位图
`QwtPlotAxisZoomer`	框选缩放（绑定 2 轴）	缩放总伴随全量重绘，配合降采样即可

大场景平移卡顿时的处方：换 QwtPlotCachePanner；反之若缓存拖影观感差，换回 QwtPlotPanner。两者的详细用法见平移工具与缩放工具。

实时平移效果

replot 节流¶

数据源高频推送时，不要每个样本都 replot()，用定时器把重绘合并到固定帧率（如 30–60 FPS）。examples/2D/cpuplot 演示了标准的"数据到达即缓存、定时器统一重绘"模式：

cpuplot 示例：定时节流的系统监控曲线

6. 数据侧配合¶

渲染管线跑多快，还取决于数据以什么形式交进来。

x 单调排列：可见区间裁剪依赖二分查找，x 单调时是 O(log N)；乱序数据退化为全量扫描，百万点场景差距是数量级的。
优先使用原始指针数据源：setRawSamples(xArray, yArray, n) 或 QwtPointArrayData<double> / QwtCPointerData<double> 让降采样直接拿到连续的 double* 数组，触发 SIMD（AVX2/SSE4.2）逐桶 argmin/argmax 快路径；QVector<QPointF> 则走逐点虚函数访问的通用路径。使用 setRawSamples 时注意数组生命周期由你负责（见曲线图文档）。
NaN 不是免费的：含 NaN 的数据会切分折线段，且使降采样退回标量路径。NaN 的行为与性能影响见 NaN 数据处理，可用 examples/2D/nanperf 实测不同 NaN 比例下五种过滤属性的表现。

数据接入方式（setSamples 各重载、自定义 QwtSeriesData）的完整说明见数据系列。

7. 调优清单¶

按顺序检查，做完一步测一步（renderbench / Run Benchmark 都能给出数字）：

数据量超过画布宽度的 10 倍？→ 确认降采样开启（默认已开，别被 setPaintAttribute(QwtPlotCurve::FilterPoints, ...) 之类的旧代码覆盖掉）；
x 是否单调？数据源是否为原始指针容器？→ 否则先改数据侧（第 6 节）；
噪声刺眼？→ 开渲染平滑，先看高斯 w=15、τ=3，峰被削矮再换 SG（第 3 节）；
还是慢？→ 换 OpenGL 画布（第 4 节）；
高频追加数据？→ QwtPlotDirectPainter 增量绘制 + 定时 replot 节流（第 5 节）；
交互卡？→ 平移换缓存模式，缩放确认降采样生效（第 5 节）。

示例	演示内容
`examples/bench/renderbench`	五种降采样方法的耗时基准与肉眼对比
`examples/2D/curvesmoothing`	渲染平滑全参数交互调参与基准
`examples/2D/nanperf`	NaN 比例 × 过滤属性的性能扫描
`examples/2D/oscilloscope`	`QwtPlotDirectPainter` 增量绘制示波器
`examples/2D/realtime`	60 FPS 实时数据流
`examples/2D/cpuplot`	定时节流的监控曲线
`examples/2D/refreshtest`	画布刷新率对比（Raster vs OpenGL）