屏幕顯示圖像的原理

屏幕顯示圖像的原理

首先從過去的 CRT 顯示器原理說起。CRT 的電子槍按照上面方式，從上到下一行行掃描，掃描完成后顯示器就呈現(xiàn)一幀畫面，隨后電子槍回到初始位置繼續(xù)下一次掃描。為了把顯示器的顯示過程和系統(tǒng)的視頻控制器進(jìn)行同步，顯示器（或者其他硬件）會(huì)用硬件時(shí)鐘產(chǎn)生一系列的定時(shí)信號(hào)。當(dāng)電子槍換到新的一行，準(zhǔn)備進(jìn)行掃描時(shí)，顯示器會(huì)發(fā)出一個(gè)水平同步信號(hào)（horizonal synchronization），簡稱 HSync；而當(dāng)一幀畫面繪制完成后，電子槍回復(fù)到原位，準(zhǔn)備畫下一幀前，顯示器會(huì)發(fā)出一個(gè)垂直同步信號(hào)（vertical synchronization），簡稱 VSync。顯示器通常以固定頻率進(jìn)行刷新，這個(gè)刷新率就是 VSync 信號(hào)產(chǎn)生的頻率。盡管現(xiàn)在的設(shè)備大都是液晶顯示屏了，但原理仍然沒有變。

通常來說，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 CPU、GPU、顯示器是以上面這種方式協(xié)同工作的。CPU 計(jì)算好顯示內(nèi)容提交到 GPU，GPU 渲染完成后將渲染結(jié)果放入幀緩沖區(qū)，隨后視頻控制器會(huì)按照 VSync 信號(hào)逐行讀取幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過可能的數(shù)模轉(zhuǎn)換傳遞給顯示器顯示。

在最簡單的情況下，幀緩沖區(qū)只有一個(gè)，這時(shí)幀緩沖區(qū)的讀取和刷新都都會(huì)有比較大的效率問題。為了解決效率問題，顯示系統(tǒng)通常會(huì)引入兩個(gè)緩沖區(qū)，即雙緩沖機(jī)制。在這種情況下，GPU 會(huì)預(yù)先渲染好一幀放入一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，讓視頻控制器讀取，當(dāng)下一幀渲染好后，GPU 會(huì)直接把視頻控制器的指針指向第二個(gè)緩沖器。如此一來效率會(huì)有很大的提升。

雙緩沖雖然能解決效率問題，但會(huì)引入一個(gè)新的問題。當(dāng)視頻控制器還未讀取完成時(shí)，即屏幕內(nèi)容剛顯示一半時(shí)，GPU 將新的一幀內(nèi)容提交到幀緩沖區(qū)并把兩個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行交換后，視頻控制器就會(huì)把新的一幀數(shù)據(jù)的下半段顯示到屏幕上，造成畫面撕裂現(xiàn)象，如下圖：

為了解決這個(gè)問題，GPU 通常有一個(gè)機(jī)制叫做垂直同步（簡寫也是 V-Sync），當(dāng)開啟垂直同步后，GPU 會(huì)等待顯示器的 VSync 信號(hào)發(fā)出后，才進(jìn)行新的一幀渲染和緩沖區(qū)更新。這樣能解決畫面撕裂現(xiàn)象，也增加了畫面流暢度，但需要消費(fèi)更多的計(jì)算資源，也會(huì)帶來部分延遲。

那么目前主流的移動(dòng)設(shè)備是什么情況呢？從網(wǎng)上查到的資料可以知道，iOS 設(shè)備會(huì)始終使用雙緩存，并開啟垂直同步。而安卓設(shè)備直到 4.1 版本，Google 才開始引入這種機(jī)制，目前安卓系統(tǒng)是三緩存+垂直同步。