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)的視頻控制器進行同步，顯示器（或者其他硬件）會用硬件時鐘產(chǎn)生一系列的定時信號。當電子槍換到新的一行，準備進行掃描時，顯示器會發(fā)出一個水平同步信號（horizonal synchronization），簡稱 HSync；而當一幀畫面繪制完成后，電子槍回復到原位，準備畫下一幀前，顯示器會發(fā)出一個垂直同步信號（vertical synchronization），簡稱 VSync。顯示器通常以固定頻率進行刷新，這個刷新率就是 VSync 信號產(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，計算機系統(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)，隨后視頻控制器會按照 VSync 信號逐行讀取幀緩沖區(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，這時幀緩沖區(qū)的讀取和刷新都都會有比較大的效率問題。為了解決效率問題，顯示系統(tǒng)通常會引入兩個緩沖區(qū)，即雙緩沖機制。在這種情況下，GPU 會預先渲染好一幀放入一個緩沖區(qū)內(nèi)，讓視頻控制器讀取，當下一幀渲染好后，GPU 會直接把視頻控制器的指針指向第二個緩沖器。如此一來效率會有很大的提升。

雙緩沖雖然能解決效率問題，但會引入一個新的問題。當視頻控制器還未讀取完成時，即屏幕內(nèi)容剛顯示一半時，GPU 將新的一幀內(nèi)容提交到幀緩沖區(qū)并把兩個緩沖區(qū)進行交換后，視頻控制器就會把新的一幀數(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：

為了解決這個問題，GPU 通常有一個機制叫做垂直同步（簡寫也是 V-Sync），當開啟垂直同步后，GPU 會等待顯示器的 VSync 信號發(fā)出后，才進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，但需要消費更多的計算資源，也會帶來部分延遲。

那么目前主流的移動設(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 才開始引入這種機制，目前安卓系統(tǒng)是三緩存+垂直同步。