在很長一段時間里，手機(jī)的刷新率都是60Hz，隨著硬件設(shè)備性能的提升，各種高刷新率的移動設(shè)備層出不窮，移動端也能有120Hz的顯示設(shè)備。那么手機(jī)上的游戲真的是FPS越高越好嗎？本期我們就來探索這其中的真相。文章作者：侯鑫，騰訊游戲引擎研發(fā)工程師。

背景

作為手機(jī)游戲開發(fā)者，我們的工作中有很多時間都在嘗試優(yōu)化自己的代碼。比如讓某一段邏輯執(zhí)行的更快速，或降低一些迭代的頻率，減輕CPU負(fù)擔(dān)，抑或通過各種騷操作在不降低畫面質(zhì)量的情況下，減輕GPU負(fù)擔(dān)。

最終的目的都是想讓使用不同性能設(shè)備的玩家都可以流暢的體驗游戲。“卡不卡”也是玩家對游戲產(chǎn)生的第一印象之一，因此，我們的目的就是讓游戲以最快的速度運(yùn)行。

通常，評價一款游戲是否流暢的最直觀的指標(biāo)就是FPS（幀/秒）。那么，FPS真的是越高越好嗎？

市面上評測硬件性能都是對比不同硬件下相同畫質(zhì)游戲的FPS，且越高越好（Higher is better）。

對于桌面平臺來講，它有持續(xù)穩(wěn)定的供電與強(qiáng)勁的散熱方案，不需要考慮發(fā)熱與耗電量的問題，可以讓硬件自由發(fā)揮。其次我們還要考慮顯示設(shè)備（手機(jī)屏幕、電腦屏幕）的刷新率（RefreshRate）。

為了了解幀率（單位是FPS）與刷新率的關(guān)系，我們先來看看他們的定義：

1. 幀率（FrameRate）

幀率是GPU和CPU合作在游戲運(yùn)行時，可產(chǎn)生的圖像的數(shù)量，計量單位是幀/秒（FramePerSecond），通常是評估硬件性能與游戲體驗流暢度的指標(biāo)。

2. 刷新率（RefreshRate）

刷新率（垂直刷新率、垂直掃描率）表示顯示設(shè)備一秒內(nèi)可顯示的新圖像的數(shù)量，計量單位是赫茲（Hz）。

刷新率與幀率是兩個獨(dú)立的概念，幀率表示驅(qū)動顯示器的設(shè)備每秒可產(chǎn)生新圖像的數(shù)量。

可簡單理解為：

• 游戲引擎與驅(qū)動是生產(chǎn)者，工作效率用幀率來評價；

• 顯示設(shè)備是消費(fèi)者，工作效率用刷新率來評價。
  

簡而言之，我們真正感受到的流暢度會被刷新率限制，當(dāng)幀率高過刷新率時，顯示器每秒所能顯示的圖像數(shù)量仍然是不變的。

3. 畫面撕裂（ScreenTearing）

假設(shè)你的顯示設(shè)備刷新率為60Hz，當(dāng)幀率高過刷新率或游戲運(yùn)行時的幀時間不是1/60的倍數(shù)（2/60、3/60），即其FPS不是：…/120/60/30/20/… 時，就會存在顯示器正在刷新圖像的同時，新的數(shù)據(jù)也正由顯卡傳過來的情況，導(dǎo)致屏幕中有多幀數(shù)據(jù)同時出現(xiàn)的情況。

如上圖所示，B幀渲染較快，在A幀的數(shù)據(jù)仍在顯示器中刷新時，提交了新數(shù)據(jù)，造成畫面撕裂，這種現(xiàn)象就叫做畫面撕裂。這種瑕疵最簡單的解決方案是垂直同步（VSync）。

4. 垂直同步（Vertical Synchronization）

垂直同步會同步顯卡與顯示設(shè)備的工作：

當(dāng)顯示器在刷新數(shù)據(jù)時，會讓GPU等待，直到完全刷新數(shù)據(jù)后，讓GPU提交新的數(shù)據(jù)，并在下一個刷新周期刷新。

垂直同步會將游戲的FPS限制為顯示設(shè)備的刷新率，其最大的問題是會導(dǎo)致玩家輸入延遲，因為它會要求顯卡在渲染完畢后等待顯示設(shè)備去刷新數(shù)據(jù)。

顯而易見，這個問題對于競技游戲的影響是很大的。

（1）NVIDIA G-Sync

如果你是NVIDIA顯卡，且你的顯卡和顯示器均支持G-Sync[1]，則顯示器中的特殊芯片會與顯卡進(jìn)行交流，使顯示器調(diào)整其刷新率以匹配顯卡的幀率。

其缺點是需要硬件（顯示設(shè)備硬件）支持。

（2）AMD FreeSync

FreeSync[2]是基于DP接口（DisplayPort）所支持的自動同步技術(shù)[3]（Adaptive-Sync）實現(xiàn)的。

這是一個開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此FreeSync不需要授權(quán)費(fèi)用，通常支持FreeSync的顯示設(shè)備會比G-Sync便宜。

了解到影響用戶體驗的這些因素后，我們也了解到相應(yīng)的解決方案。那么，移動平臺的具體情況是什么？與桌面平臺又有什么不同呢？

移動平臺

以高通為例，其Adreno[4] GPU的性能數(shù)據(jù)如下表所示：

高通驍龍865所配置的Adreno 650與Intel 11代CPU所附帶的Iris Plus集顯對比：

可以看到目前的旗艦移動GPU的浮點數(shù)算力已經(jīng)趕超Intel的集顯，性能已經(jīng)非常可觀，移動端硬件也有能力去輸出非常高的幀率。

1. Android

移動平臺的顯示設(shè)備在很長一段時間里，都是60Hz。

我們從上文了解到，在游戲圖像展示在顯示屏的過程中，有一個比較影響用戶體驗的同步過程。

游戲邏輯和渲染循環(huán)與安卓系統(tǒng)和顯示屏硬件之間有一個同步的關(guān)系，這個同步過程我們稱為幀節(jié)奏（Frame Pacing），也即引擎與CPU、GPU配合產(chǎn)生圖像的幀率 與顯示屏刷新率之間的同步關(guān)系。

安卓的顯示系統(tǒng)可避免畫面撕裂（ScreenTearing）的問題，即當(dāng)顯示器正在刷新數(shù)據(jù)時，新的數(shù)據(jù)被Push到顯示設(shè)備時的情況。其通過以下措施避免撕裂（Tearing）：

• 將歷史幀數(shù)據(jù)緩存住；

• 自動檢測有延遲的幀數(shù)據(jù)提交；

• 當(dāng)提交有延遲時，重復(fù)渲染歷史幀數(shù)據(jù)。

通過Buffer緩存幀數(shù)據(jù)，當(dāng)顯示器刷新時，如果有新數(shù)據(jù)傳輸，直接將其緩存即可。如此設(shè)計，就不會有VSYNC的阻塞式等待的問題，也不會增大影響游戲邏輯的輸入延遲。

雖然帶來了一定的畫面延遲，但可以避免畫面撕裂問題。具體的數(shù)據(jù)提交流程如下：

首先引擎通過 eglSwapBuffers 告知顯示系統(tǒng) SurfaceFlinger[5]，其次SurfaceFlinger 會將數(shù)據(jù)緩存到Buffer中。

如果當(dāng)前是刷新的窗口期，SF會等待硬件的VSYNC信號。收到信號后，SF將從Buffer中找到最新的Buffer；如果沒有找到，就用上一次的Buffer；如果正在刷新中，SF則是處在睡眠狀態(tài)（設(shè)備實現(xiàn)相關(guān)）。

假設(shè)同步（Frame Pacing）頻率為30Hz時，正確的同步關(guān)系如下圖：

NB即為No Buffer，Latch即表示為Buffer傳輸中。圖中的Display刷新率為60Hz，渲染的頻率為30Hz。

（1）短幀卡頓

當(dāng)某幀的渲染時間變小，會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象（Stuttering）：

如上圖所示，C幀的渲染因為一些原因所花費(fèi)的時間很短，在下一個刷新窗口期就渲染完畢了，因此曾經(jīng)的NB位置存儲了C幀的圖像數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致刷新出的幀序列變?yōu)?#xff1a;AABCCC，C幀的FrameTime短了，反而讓玩家感受到游戲不流暢了。

（2）解決短幀卡頓

安卓提供了Swappy Frame Pacing庫（Android Game SDK[6]的一部分），UE4.25[7]與Unity2019.2[8]已合入Swappy庫。

通過 EGL_ANDROID_presentation_time[9]設(shè)置顯示器Present的時間。在我們的例子中，更新頻率是30Hz，通過設(shè)置PresentTime為30Hz，即可避免短幀卡頓的情況。

（3）長幀卡頓/延遲

如上圖，B幀因為一些原因占用了超過33.3ms的幀時間，導(dǎo)致NB的幀重復(fù)了兩次，造成AAABCC的幀序列，從而導(dǎo)致卡頓：

• A延續(xù)了三幀；

• B只展示了一幀。

（4）解決長幀卡頓

Swappy會通過添加同步鎖，使顯示系統(tǒng)有充足的等待空間，從而不至于將影響擴(kuò)散。

通過同步鎖 EGL_KHR_fence_sync[10] ，雖然幀A的問題無法解決，但幀A之后的B、C都不會受到幀A的影響。

2. Frame Pacing Library

Android Game SDK 中的 Swappy 庫，不僅可以解決長短幀的問題，也可以支持動態(tài)調(diào)整設(shè)備的刷新率，以提供給玩家最流暢的視覺體驗。不同刷新率的設(shè)備支持不同的FPS：

• 60Hz：60FPS/30FPS/20FPS

• 60 + 90Hz：90FPS/60FPS/45FPS/30FPS

• 60 + 90 + 120Hz：120FPS/90FPS/60FPS/45FPS/40FPS/30FPS

Swappy可根據(jù)渲染器的具體幀時間，選擇最符合的刷新率，提供給玩家一個更流暢的視覺體驗，通過systrace[11]可根據(jù)SurfaceView的數(shù)據(jù)驗證Frame Pacing庫的改進(jìn)。

至此我們了解到安卓平臺的Frame Pacing改進(jìn)方案Swappy庫，其實就是一個簡化版的G-Sync或Free-Sync，都可以通過動態(tài)調(diào)整顯示器的刷新率（支持動態(tài)刷新率的設(shè)備）來輸出更流暢的效果

3. iOS

蘋果在2018年的WWDC上分享過一個演講[12]，其中介紹了蘋果在Frame Pacing上所做的改進(jìn)。

上面的動圖中雖然左側(cè)是40FPS，高于右側(cè)的30FPS，但用戶體驗明顯是30FPS側(cè)更友好。

40FPS的執(zhí)行時序情況如上圖所示，VSYNC的最小間隔即刷新率為60Hz。當(dāng)我們以盡可能快的速度去渲染新的幀時，0/1刷新點Display的緩存中沒有數(shù)據(jù)，因此均使用歷史數(shù)據(jù)。

即A展示了2幀。第2幀時，B幀的GPU計算完畢，可直接展示B。第3幀時，C幀的GPU計算完畢，直接展示C，且因為A的GPU錯過了刷新點4，因此C也展示了兩幀。依次循環(huán)往復(fù)，造成了：AABCCABBCAA 的長短幀問題，最終導(dǎo)致卡頓的表現(xiàn)。

（1）設(shè)置固定幀率

iOS 10.3以上支持新的API：

MTLDrawable addPresentedHandlerMTLCommandBuffer presentDrawable afterMinimumDurationMTLCommandBuffer presentDrawable atTime

可設(shè)置最小幀間隔，從而解決長短幀的問題：

// Render Scene...// Get drawable and present at 30 FPSlet drawable = view.currentDrawable { // Render Final Pass ... let duration = 33.0 / 1000.0 // Duration of 33 ms commandBuffer.present(drawable, afterMinimumDuration: duration)}commandBuffer.commit()

通過設(shè)置幀渲染最小間隔，可讓幀以固定的頻率渲染新的幀，從而為CPU、GPU留下了足夠長的時間去渲染場景。

假設(shè)刷新率為60Hz，只要CPU與GPU完成協(xié)作輸出數(shù)據(jù)的時間在3*(1/60)ms之內(nèi)，即第1幀GPU的工作C 保證在 第3幀的工作A開啟之前完成，iOS設(shè)備就可以輸出連續(xù)的30Hz的圖像。

4. Unreal Engine 4

從4.25版本開始，UE4整合了安卓的Swappy庫：

// Runtime/OpenGLDrv/Private/Android/AndroidOpenGLFramePacer.cppvoid FAndroidOpenGLFramePacer::Init() { InitSwappy();}void FAndroidOpenGLFramePacer::InitSwappy() { JNIEnv* Env = FAndroidApplication::GetJavaEnv(); SwappyGL_init(Env, FJavaWrapper::GameActivityThis);}

開啟Swappy時直接使用其API對Frame Pacing進(jìn)行控制：

// r.setframepace 30// a.UseSwappyForFramePacing=1bool FAndroidOpenGLFramePacer::SwapBuffers(bool bLockToVsync) {#if USE_ANDROID_OPENGL_SWAPPY int64 DesiredFrameNS = (1000000000L) / (int64)FAndroidPlatformRHIFramePacer::GetFramePace(); SwappyGL_setSwapIntervalNS(DesiredFrameNS); SwappyGL_setAutoSwapInterval(false); SwappyGL_swap(eglDisplay, eglSurface);#endif

根據(jù)UE4的代碼，UE4并未使用Swappy的默認(rèn)模式[13]，而是根據(jù)配置，通過Swappy設(shè)置了正確的同步節(jié)奏。

Swappy比UE4默認(rèn)的FramePacer更了解安卓系統(tǒng)。根據(jù)UE4的文檔，其真實表現(xiàn)也比默認(rèn)的Pacer更穩(wěn)定，未來的版本也將會在安卓平臺把Swappy作為默認(rèn)的FramePacer。

4.25以下版本使用UE4的Leagcy Frame Pacer：通過eglSwapInterval[14]控制Swap Buffer時所需等待的VBLANK[15]次數(shù)。

VBLANK指一幀數(shù)據(jù)最后一行顯示完畢到下一幀第一行數(shù)據(jù)開始顯示的過程，eglSwapInterval 實際上是無法精確了解顯示屏（硬件）刷新的時間的，因此其真實效果不如更了解硬件的Swappy好。

// rhi.SyncInterval, 60Hz設(shè)置為1int32 SyncInterval = GetLegacySyncInterval();// 當(dāng)配置的同步間隔改變時，使用eglSwapInterval配置VBLANK等待次數(shù)if (DesiredSyncIntervalRelativeTo60Hz != SyncInterval) { eglSwapInterval(eglDisplay, DriverSyncIntervalRelativeToDevice);}

若設(shè)備支持?ANDROID_get_frame_timestamps[16]?擴(kuò)展，可通過API拿到驅(qū)動層的一些時間數(shù)據(jù)，計算出更精確的SwapInterval：

EGLint Item = EGL_COMPOSITE_INTERVAL_ANDROID;// The time delta between subsequent composition events.eglGetCompositorTimingANDROID_p(eglDisplay, eglSurface, 1, &Item, &COMPOSITE_INTERVAL);if (COMPOSITE_INTERVAL >= 4000000 && COMPOSITE_INTERVAL <= 41666666) { DriverRefreshRate = float(1000000000.0 / double(COMPOSITE_INTERVAL)); DriverRefreshNanos = COMPOSITE_INTERVAL;}

并且可以解決短幀卡頓的問題。即通過查詢歷史幀的數(shù)據(jù)，控制Compositor的工作時機(jī)，當(dāng)短幀發(fā)生時，根據(jù)刷新率計算出正確的工作時間。

保證短幀的數(shù)據(jù)B在顯示器刷新兩次，以保持體驗的流暢性：

EGLint TimestampList = EGL_FIRST_COMPOSITION_START_TIME_ANDROID;// The first time at which// the compositor began preparing composition for this frame.EGLnsecsANDROID Result = 0;eglGetFrameTimestampsANDROID_p(eglDisplay, eglSurface, FrameIDs[Index % NUM_FRAMES_TO_MONITOR], 1, &TimestampList, &Result);// 設(shè)置下一幀的起始時間EGLnsecsANDROID DeltaNanos = EGLnsecsANDROID(DesiredSyncIntervalRelativeToDevice) * EGLnsecsANDROID(DeltaFrameIndex) * DriverRefreshNanos;EGLnsecsANDROID PresentationTime = Result + DeltaNanos;eglPresentationTimeANDROID_p(eglDisplay, eglSurface, PresentationTime);

（1）iOS

iOS通過控制CADisplayLink[17]的參數(shù)來控制FramePacing的表現(xiàn)：

FIOSPlatformRHIFramePacer::FrameInterval = NewFrameInterval;uint32 MaxRefreshRate = FIOSPlatformRHIFramePacer::GetMaxRefreshRate();CADisplayLink* displayLinkParam = (CADisplayLink*)param;// iOS 10displayLinkParam.preferredFramesPerSecond = MaxRefreshRate / FIOSPlatformRHIFramePacer::FrameInterval;// pre iOS 10displayLinkParam.frameInterval = FIOSPlatformRHIFramePacer::FrameInterval;

即可通過歷史幀的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整FrameInterval或期望FPS，以達(dá)到更流暢的視覺體驗。

5. Unity

Unity2019.2之后在安卓平臺整合了Swappy作為FramePacer。

Unity2018版本僅設(shè)置了glSwapInterval，即通過不是很精確的timestamp模式控制FramePacing：

// Runtime/GfxDevice/egl/WindowContextEGL.cppEGLint WindowContextEGL::SetVSyncInterval(EGLint interval) { interval = clamp(interval, m_VSyncIntervalMin, m_VSyncIntervalMax); if (eglSwapInterval(m_EGLDisplay, interval)) return interval; return -1;}

而iOS上FramePacing的實現(xiàn)與UE4基本一致。

參考文獻(xiàn)：

[1] G-Sync:

https://www.nvidia.com/en-us/geforce/products/g-sync-monitors/

[2] FreeSync:

https://www.amd.com/en/technologies/free-sync

[3] 自動同步技術(shù):

https://vesa.org/featured-articles/vesa-adds-adaptive-sync-to-popular-displayport-video-standard/

[4] Adreno :

https://en.wikipedia.org/wiki/Adreno

[5] ?SurfaceFlinger:

https://source.android.com/devices/graphics/surfaceflinger-windowmanager

[6] Android Game SDK:

https://developer.android.com/games/sdk

[7] UE4.25:

https://docs.unrealengine.com/en-US/Platforms/Mobile/Rendering/MobileFramePacing/index.html

[8] Unity2019.2:

https://unity3d.com/unity/alpha/2019.2.0a6

[9] EGL_ANDROID_presentation_time:

https://www.khronos.org/registry/EGL/extensions/ANDROID/EGL_ANDROID_presentation_time.txt

[10] ?EGL_KHR_fence_sync:

https://www.khronos.org/registry/EGL/extensions/KHR/EGL_KHR_fence_sync.txt

[11] systrace:

https://developer.android.com/games/sdk/frame-pacing/opengl/verify-improvement

[12] WWDC演講：

https://developer.apple.com/videos/play/wwdc2018/612/

[13] Swappy默認(rèn)模式:

https://developer.android.com/games/sdk/frame-pacing#supported_operating_modes

[14] SwapInterval:

https://www.khronos.org/opengl/wiki/Swap_Interval

[15] VBLANK:

https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_blanking_interval

[16] ?ANDROID_get_frame_timestamps :

https://www.khronos.org/registry/EGL/extensions/ANDROID/EGL_ANDROID_get_frame_timestamps.txt

[17] CADisplayLink:

https://developer.apple.com/documentation/quartzcore/cadisplaylink

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的常说的手机刷新率60Hz、120Hz有什么不同？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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