为什么游戏画面会产生撕裂？垂直同步与防撕裂技术分析

很多朋友在玩游戏的时候都可能遇到过下图这种画面撕裂的情况。尤其是对于FPS玩家，这种撕裂在迅速转动镜头时非常明显。

不过通常游戏设置里面都会有相应的选项来进行调整，比如是否开启垂直同步，是否启用三级缓冲等，打开之后画面撕裂的问题就会有明显的改善。

除了垂直同步以外，我们在购买的显示器和显卡的时候也可能听说过G-Sync、FreeSync等相关的技术，那么这些概念到底是什么意思？他们又是如何解决画面撕裂的问题呢？

撕裂原因

首先我们需要先从画面刷新的基本原理讲起。对于任何一个显示器，其屏幕画面的更新都不是瞬间完成的，而是要从上到下进行逐行扫描刷新，整个屏幕刷新一次是需要一定时间的。

华为手机支持960fps录制，本地显示器录了一段，可以明显看到逐行更新。

我们常说的60HZ显示器其实表示的是屏幕刷新率，也就是显示器每秒可以更新60次。但单次从第一行扫描到最后一行时间并不需要16.6ms（1s/60），也许5ms就可以搞定。

另一方面，屏幕要显示的画面数据其实来源于GPU的Buffer，而GPU往buffer里面写数据的速度与显示器是无关的。GPU产生帧率与显示器帧率往往不一致，如果不加以同步就必然产生撕裂，简单来说，GPU会在显示器读取buffer时把buffer改成下一帧内容，导致显示器上半屏是后一帧图像，下半屏是前一帧图像。

下面是在apex中关闭垂直同步录的，

可以看到其中有撕裂

双缓冲

双缓冲是显卡的渲染基本特性，GPU会使用两个buffer，每次渲染完后都把画面写入backbuffer。而显示器只从frontbuffer读取画面，通过交换指针来交换两个buffer，这个操作可认为是瞬间完成的。

不过swapbuffer时，显示器还没读取完frontbuffer，依然会产生撕裂。

垂直同步

双缓冲下，想要不撕裂，就需要保证显示器在显示完一个buffer后，再去swapbuffer，这就是垂直同步。简单讲，就是显示器在显示完后会向显卡发送一个v-sync信号。

不过垂直同步有两个明显的的缺点：

1.锁帧，这会把游戏帧率限制到显示器帧率。比如你使用的是60帧的显示器，那么无论你使用的是I9的CPU还是4090的显卡，在fps游戏中，玩家操作依然会有明显的延迟。比如下面情况（使用unrealInsight工具进行性能分析），开垂直同步锁了60帧之后，会发现CPU一直都在idle。

2.降帧。当GPU帧率低于60帧，或突然下降时，比如45帧，最终显示的帧率会变成30帧。

关于第2点，我们再进一步分析一下。

理想情况：GPU输出帧率高于60帧，输出一帧画面后等v-sync信号，最终显示器顺序输出每帧图像

帧率低的时候：当游戏卡了一下，GPU不能在16.6ms内完成一帧时，显示器产生v-sync信号后，发现没新数据，下一帧就继续使用老数据，导致两次显示了同一帧。再等到下一个v-sync信号，GPU输出了第三帧画面，正常显示，我们会发现中间的第二帧画面丢失了。

另外考虑如果GPU稳定以45帧输出画面，那么每两个v-sync信号只有一个会显示新画面，最终显示器输出的是30帧。

三缓冲

对于低帧率和帧率波动情况，可以用三缓冲来缓解，当帧率高于显示器帧率时，依然是垂直同步锁帧方案。

可以再加一个backbuffer，让GPU在完成一帧后不等垂直同步信号，接着运行，把数据写入另一个backbuffer。当swapbuffer时，顺序选取下一个buffer，相当于多了一个蓄水池。

比如上图，GPU错过了第二个v-sync信号，就把图像缓存起来，第三个v-sync信号时就能显示第二帧图像了。

这里注意，注意GPU每帧输出的图像都必须顺序显示，中间不能丢。而且第一次GPU遇到卡顿的时候是无法避免丢失的，因为那个时候另一个backbuffer里面还没有东西。

这样偶尔有一帧卡，因为多了个缓冲，依然能以60hz输出图像给显示器。当GPU稳定45帧运行时，显示器也能以45帧输出图像，而不是30帧。

但这样也存在问题，帧的逻辑时间可能长短不一，但最终都以16.6ms间隔显示在屏幕上，想象一个匀速直线运动物体，前一帧移动了16ms的距离，后一帧移动了26ms的距离，那么反映到显示器上物体移动就不匀速了。目前看，这种情况无法避免，因为GPU输出的画面是对游戏世界的离散采样，只有让帧率足够高，才能缓解这种问题。

Apex里的垂直同步选项里可选双缓冲和三缓冲，而且解释也比较清楚。

另外三缓冲不是游戏独有的技术，普通软件也能使用。安卓早期UI不流畅，因此在Project Butter中引入了vsync和三缓冲，app都可以使用该特性，也可以用开关mLayerTripleBufferingDisabled进行控制。

Android 之 Project Butter 详细介绍

https://www.jianshu.com/p/aea19baa3608

可变帧率显示器 G-sync Freesync

可变帧率显示器就是freesync和G-Sync技术，分别是AMD和英伟达的技术，要有对应显卡来让显示器帧率与GPU输出画面帧率同步。比如GPU在某段时刻的帧率分别是50，51，57，那么显示器也会立刻改变自己的显示帧率。这样可以做到延迟最低，也不会撕裂。那这个时候是不是还需要开启垂直同步呢？

开垂直同步

帧率依然会限制在屏幕最高帧率，只是GPU画面不需要等v-sync信号，显示延迟更低。

关垂直同步

不锁帧，GPU帧率低于显示器最高帧率时，也不会撕裂，GPU帧率高于显示器帧率，还会撕裂。

因此只要GPU帧率低于显示器帧率，垂直同步开关没影响，都是不撕裂+立即显示，就看游戏能不能跑到更高帧率了。

找了一台支持G-Sync的144hz显示器，关闭垂直同步，游戏稳定100hz左右，确实一直处于流畅状态，也没有撕裂。

FastSync/EnhancedSync

有没有办法在普通显示器上也实现既高帧率，又不撕裂？可以，回顾三缓冲方案，如果GPU帧率很高，可以在两次v-sync间输出两帧，那么就写入两个backbuffer，下一次v-sync来时，选取最新的backbuffer即可，另一个丢弃。这样就既开启了垂直同步，又不锁60帧，能尽快显示最新的画面。这种方式不妨称为FastSync。

这么做输入延迟高于关掉v-sync，但低于开v-sync，很适合fps游戏。

不过依然有最高帧率限制，在两次v-sync间如果把backbuffer都写满了，还是要等，最高帧率为（backbuffer数*显示器帧率）。假如一个游戏backbuffer开了3个，对于普通玩家的60帧显示器，最高帧率可以到达180，也基本够用了。

在虚幻引擎中，r.D3D12.UseAllowTearing和r.D3D12.SwapChainBufferCount分别控制了是否开启FastSync和backbuffer的数量。

映射到对DX接口的操作在这里

如果使用了这种方式，注意开启防撕裂时要关闭垂直同步。

建议

• 如果只是普通显示器，而且GPU帧率是显示器帧率的2倍或3倍，就使用FastSync/EnhancedSync。

• 如果显示器支持freesync或G-Sync，fps游戏就不开垂直同步了。

• 尽量不要使用双缓冲的v-sync，用三缓冲的。

参考：
Android 之 Project Butter 详细介绍：https://www.jianshu.com/p/aea19baa3608
什么是画面撕裂？垂直同步，G-sync，Freesync到底有啥用？：https://zhuanlan.zhihu.com/p/41848908
AMD：https://www.hardwaretimes.com/what-is-v-sync-should-you-turn-it-on-or-off/
垂直同步到底要不要开？：https://www.bilibili.com/video/BV16x411e7bp/

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