G-sync和Freesync同步技术的前置知识点

学号：20021210601      姓名：韦苏恒

【嵌牛导读】讲解同步技术的前置知识点，包括FPS、VBlank、FrontBuffer、BackBuffer等。

【嵌牛鼻子】帧  帧缓存 帧传递

【嵌牛正文】

    先讲解同步技术的前置知识点，包括FPS、VBlank、FrontBuffer、BackBuffer等。

    今天让我来给各位小伙子们讲讲G-sync和Freesync同步技术，我相信大家在玩游戏的时候，如果画面变化的太大有的时候你就会发现，你的屏幕画面发生了错位的撕裂现象。游戏的画面为什么会发生撕裂？然后为了防止画面撕裂，几乎所有的游戏内部都有个叫垂直同步的选项，你知道它是如何阻止画面撕裂的吗？除了垂直同步，这两年显卡和屏幕厂商都在宣传G-sync和Freesync同步技术，说这两项技术也能解决画面撕裂，并且延迟更低效果更好，那你知道G-sync和Freesync技术的工作原理与区别是什么吗，今天我将从最基本的工作原理，分两篇随笔带你们详细了解一下画面撕裂、垂直同步，以及G-sync和Freesync同步技术。

    在了解画面撕裂之前，我们首先需要知道帧这个概念，这个东西我相信大部分人小时候都玩过，就是在纸张上画具有很多微小运动差异的连续画面，然后快速的翻页，你在肉眼的观感上就是会和动画一样，它的实现原理很简单，就是利用人眼的视觉暂留效应。每一幅画面显示出来以后，会在你的视网膜上存留一段时间，如果我们让这些微小变化的画面，在暂留消失之前播放出来，你看到的画面就是连续的了，而这每一幅静态画面就被我们称之为一帧，一秒钟闪过去的图片数量就是帧数。比如说一秒钟连续播放了30张静态画面，那帧数就是30，帧数的缩写是fps，30fps就意味着30帧每秒。

    在电脑里帧是由显卡去渲染出来的，也就是说你在屏幕这头看到的动画，实际上都是显卡一帧一帧给你画出来，并输出到显示器上的，60FPS就意味着显卡在这一秒内画出了60张画面，然后发送给了显示器，当显示器接收到这些帧以后，就需要把它展现到显示面板上你才可以看见。

    而显示器在显示帧的时候，并不是说和播放一样一张一张的闪过去，目前所有的显示器在显示动态画面的时候，都是利用逐行扫描完成的，显示器在收到一个完整的帧以后，会从屏幕的左上角开始一行一行地进行绘制，一直绘制到屏幕的右下角，这一幅完整的帧就被显示了出来。

    然后显示器会将扫描点从右下角挪回左上角，这个重置扫描点的过程被我们称之为VBlank，记住这个词后面我们会反复的提到，VBlank结束以后会从左上角继续逐行扫描下一帧，如此循环往复，逐行扫描的速度就是我们所说的屏幕刷新率，60hz的屏幕就意味着一个屏幕在1秒内，进行完整的60次全画幅的逐行扫描，144hz的屏幕就意味着一个屏幕可以在1秒内，进行完整的144次全画幅的逐行扫描，所以刷新率越高的屏幕所能表现出来的帧数也就越多，相应的其画面延迟也就越低，画面越流畅。

    讲到这里，你就应该明白帧数和刷新率的概念了，帧数指的是显卡一秒钟渲染好，并发送给了显示器多少张画面，而刷新率指的是显示器逐行扫描画面的速度，它俩不是一个相同的概念。

    讲完刷新率和帧数，这里我们再引入一个新的概念，Frame Buffer帧缓存。

    显卡在渲染画面的时候，由于显卡本身的性能是固定的，而游戏场景的复杂程度是不同的，不同的画面对于显卡本身的运算压力不同，所以帧数会一直在变化。而显示器的刷新率是固定的，60hz的显示器就是死死的，每隔1/60秒完成一整幅画面的逐行扫描，为了让一个波动的输出帧能匹配固定的刷新率，我们就设置了帧缓存，如果你没有动过你的画面设置，那默认情况应该是有两个帧缓存，FrontBuffer和BackBuffer，也被我们称为前缓存和后缓存。显卡在渲染画面的时候并不会直接交给显示器去显示，而是先写入BackBuffer也就是后缓存当中，等待后缓存写入完毕，前后缓存发生交替，后缓存就变成了前缓存，前缓存就变成了后缓存，这个交替的过程被我们称为Buffer Swap，帧传递。

    如果显示器的刷新率和你的游戏帧数是匹配的，那最后的情况就如下图里展示的这样，显卡按部就班的绘制BackBuffer，显示器按部就班的显示FrontBuffer，Bufferswap也就是帧传递的过程，每次都是刚好在双方绘制完成才会执行。

    但是就如我们开头所说的显卡的帧率会一直在变化，所以事情往往并不能如我们所愿，显卡的绘图速度有可能会和显示器不匹配，这里我们假设一个情况，显示器上已经显示着过往帧画面A，当前正在逐行扫描前缓存里的画面B，显卡正在绘制后缓存里的画面C，假如显卡的绘图速度比显示器快，在显示器逐行扫描完之前，显卡就已经把C画好了，此时发生了帧传递，于是乎，显示器逐行扫描完毕扫描到了一半画面变成了C，这个就是我们所说的画面撕裂了。

    也就是说导致画面撕裂的原因是因为帧率高于刷新率，显卡在显示器进行逐行扫描之前，就提前画好了新的帧，并且执行了帧传递，那如果显卡的绘图速度没有显示器快会发生什么呢？我们同样将画面的状态恢复到一开始的那样，显示器显示着过往帧A，正在逐行扫描前缓存的B，显卡正在画后缓存里的C，由于显卡的绘图速度低于显示器，在显示器逐行扫描完以后，C还没有画好，此时不允许发生帧传递，显示器在VBlank结束以后，只能继续从左上角开始继续逐行扫描B，然后再第二次绘制B的时候C突然画好了，这时候发生了帧传递，显示器又开始画C，于是你在显示器上看到的第一帧是完整的B，第二帧上半幅画面是B下半幅画面是C，画面依旧是撕裂的。

    我们可以把上面那个过程从上往下绘制一个时间轴，左边的数字代表显示器的逐行扫描时间轴，也就是屏幕的HZ，不同的颜色代表不同的帧，这样结果就应该非常直观了，帧率高于显示器的刷新率，画面更替的速度比显示器快，画面持续撕裂；而帧率低于显示器的刷新率，画面更替速度比显示器慢，显示器需要经常重复显示过往帧，显示到一半又被更替了，又是画面撕裂。

    也就是说只要你的帧数和显示器的刷新率不匹配，无论是高了还是低了，都会在某个时间段发生这种显示器没有画完，显卡就去覆写前缓存，或者显卡没有画完显示器依旧只能显示旧的帧，然后继续被覆写掉缓存的情况。并不是像大多数人理解的那样，只有帧数高于刷新率才会撕裂，是只要帧数和刷新率不匹配就会发生撕裂，只不过很多的撕裂比较微小，或者靠近显示器的顶部或者底部，你的肉眼没有察觉到而已。

    想要解决画面撕裂应该怎么办呢？我们下一篇随笔再见~这当然不是我为了水文，而是后面将会有更多的名词和概念井喷式的出现，我是为各位看官老爷们考虑（滑稽脸）。