屏幕展示UI的原理

一、基础概念

1、帧

帧(Frame),一帧就是一幅静止的画面。

2、FPS

FPS(Frames Per Second),显卡每秒钟输出多少帧画面。

3、显示器显示原理

显卡负责计算图像数据,显示器负责显示。当显卡计算完成后,会将数据输出给显示器进行显示,显示器会从左上角将画面一行行的显示在屏幕上。


逐行扫描&隔行扫描
4、刷新率

显示器每完成一次完整的扫描就是刷新一次,1秒内完成的刷新次数即刷新率。(如60Hz,代表每秒刷新60次)

二、显示问题与解决思路

1、画面撕裂

原因:

显卡不会将画面数据直接交给屏幕进行展示,而是通过帧缓存(在不进行任何设置的时候,显卡会有两个帧缓存);

正常显示

显卡将数据写入后缓存,然后交换前后缓存,显示器从前缓存读取数据进行展示。如果显卡计算速度和显示器的显示速度一样,那我我们看到的画面都是正常的,没有问题。

画面撕裂

当显卡与显示器速率不匹配,
(1)显示器速率<显卡速率 :显示器还没有扫描完,显卡已经计算完毕,此时交换前后缓存,显示器上就会出现上一帧的上半部分和下一帧的后半部分,导致撕裂。
(2)显示器速率>显卡速率 :显示器扫描完毕,显卡还未计算完毕,此时显示器只能继续绘制上一帧的画面,等显卡计算完毕后交换缓存,绘制新画面的下半部分,导致撕裂。

解决思路:垂直同步

垂直同步会强制显示器扫描完毕后显卡才能将前后缓存交换。如果显卡绘制完毕显示器还没有扫描完,显卡就会等待显示器绘制完毕,再进行画面传递。


垂直同步示例

如图所示,当出图速率>显示器速率 时,显卡出图完毕后会等待同步信号,收到同步信号后再交换前后缓存,避免出现画面撕裂的情况。

2、垂直同步引起的新问题:卡顿

原因:

垂直同步解决了显卡出图速率>显示器扫描速率的撕裂问题;但是当出图速率<显示器速率 时;如上图中倒数第二部分情况,收到同步信号后,显卡还没有渲染出新的图,显示器只能将前缓存的内容再显示一边,从而导致某一帧展示时间偏长,就会产生卡顿的感觉。

解决思路:

为了解决这个问题,NVIDIA推出了一个自适应垂直同步功能。在出图速率<显示器速率 时,自动关闭垂直同步,从而使画面更流畅;在出图速率>显示器速率 时,自动开启垂直同步,减少撕裂。

3、垂直同步引起的新问题:延迟

原因:

由于垂直同步显卡画完之后会等待显示器,就会出现游戏里的画面已经发生变化,但是还没有反馈到显示器上。

解决思路:

1、三重缓存 :前缓存,中缓存,后缓存,显卡可以多渲染一帧的画面,可以减缓延时;但是如果屏幕刷新率太低,还是会出现延迟的问题。
2、快速垂直同步 :允许中后两个缓存进行交换,不影响显示器的画面;但是由于中后缓存交换,会抛弃很多过往帧,导致画面出现卡顿 的现象。

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