三位數的FPS毫無意義 話說垂直同期的實際效用

垂直同期(Vertical Sync /VSync)是很早就出現的概念或者技術手法 概念上其實很簡單 就是考慮到顯示器的RefreshRate有一定的頻率值 於是將Realtime的 Graphics Rendering的FPS數限制為<=RefreshRate 最初的目的 也是最基本的目的 是為了防止顯示卡ADAPTER的描畫更新速度超過了實際顯示器的更新速度而產生的一個顯示器畫面來源於兩個先後的顯示卡的FrameBuffer畫面所造成的畫面撕裂感(雖然採用普通Discard的Direct3D9的present屬性的話可以避免 然而FULLSCREEN下則不行)

然而一直以來垂直同期並沒有受到GRAPHICS APP開發者及GAMER的關注 甚至很多人還不知道那是什麼概念 細心的人會發現 2007年以來的DirectX SDK Samples特別是Direct3D 10 Samples統統把垂直同期作為默認設定 很明顯表明對他的重視及推獎 為什麼呢 顯然有何好處在裡頭 除了上面所述的基本目的之外 我發現最重要在於無用CPU/GPU損耗的避免 這牽涉到一個偶以前一直奇怪的問題 就是為啥自己寫的簡單的D3D APP執行時會占滿CPU(100%) 而自己做的差不多功能的OpenGL APP卻只佔一小部分CPU 同時OpenGL App印象中最高不會超過70幾FPS 而D3D的可以任意幾百FPS甚至更多 現在一想就明白 原來OpenGL程式中默認進行了垂直同期控制 而D3D9沒有 也就是說能夠描畫多快就畫多快 超過顯示器refreshrate也無所謂 而事實上最終的畫面 要麼多餘的畫面被顯示器Discard掉(實際顯示出的仍然是每秒60FPS 假設Refreshrate=60Hz) 要嘛就是顯示器不採用DISCARD機制 產生畫面不同期的撕裂感 一方面CPU和GPU都被大大占滿 非常的不高效

採用垂直同期後 在APP層的Present()呼叫處就限制住不讓描畫頻率超過顯示器Refreshrate 根本上最大程度的解放了無用的描畫消耗

這裡頭不覺想到另一個相關問題 就是瓶頸(BottleNeck) 無垂直同期的場合 CPU最大限度的呼叫描畫過程 GPU最大程度的進行描畫 假設CPU的極限是每秒呼叫M次描畫過程 GPU的極限是每秒描畫N次的畫面 最終的FPS數也就是瓶頸之所在 FPS=Min(M, N); 比方講偶的老電腦(1GHz CPU + NV GeForce6200)上 最簡的D3D程序也頂多跑到300-400FPS這就應該是CPU或GPU的極限值了(應該是GPU的極限 GPU為瓶頸 CPU呼叫是不會那麼慢的) 而在偶的新電腦(2.67Ghz CPU+ NV Geforce8600GT)上 普通的D3D10程式能達到上千FPS 這種場合 發現CPU全是占為100% 估計此時CPU是瓶頸了 而GPU尚有餘力 當然這些超出Refreshrate的動作都沒有任何畫面輸出上的意義 統統是浪費資源 唯一的意義就是用來試機器性能特別是GPU的性能(往往瓶頸在GPU的場合) 所以各類GAME提供垂直同期的RENDERING倒還有這個畫質表現以外的用場 當然若瓶頸在GPU且描畫速度低於refreshrate的場合 垂直同期不同期都沒兩樣 這種場合就不需要限制FPS了 因為FPS根本沒有能力超過refreshrate

事實上 現在垂直同期後的最突出意義還在於無用CPU資源的解放 如上所述 不設垂直同期 CPU往往會占到100% 然而很多GAME中CPU要進行大量的其他工作 況且有時一個Windowed Graphics APP還要跟桌面上其他程式同時執行 這種場合下不垂直同期就非常浪費並造成性能上的低下 當垂直同期控制在60-75fps時 普通的簡單描畫APP的CPU占用往往10%左右 這就比較理想了

從最新的DX SDK Sampes看 MS的推獎垂直同期非常贊同 減省一切不必要的開銷 不但是計算機工程優化上的一個目標 在現今環境惡化溫室效應的背景下 也非常值得強調 特別是GPU已經是當前發熱量耗電量的一個非常嚴重的部件 自然應該盡一切可能去減省不必要的開銷 並非為了檢測顯卡性能的場合而不使用垂直同期的話 是罪不可赦的笨蛋行為 GAMER打遊戲時都應該開垂直同期

這裡頭還扯到一個更遠點的話題 就是現在LCD液晶顯示器普及的前提下 把顯示器Refreshrate盡量調低點一般是60Hz更好 因為以前的CRT顯像管 每次更新顯示器畫面電子槍的重新射PIXEL點都會有亮度的明暗變化 縱使同一點的色值在更新前後是一樣的也會使肉眼上產生閃爍感 顯示器Refreshrate越低這種閃爍感就越明顯 這就對眼睛不利 所以以往CRT上都提倡盡可能把Refreshrate調高(比如調到85HZ)就感覺不很閃爍了 然而液晶顯示器的物理原理不同 同一點PIXEL更新時 若色值相同 不會有任何顏色或亮度上的變化 亦即只要該點PIXEL色值沒改變 更新頻率快慢的效果是一樣的 所以我門把LCD上的Refreshrate降到較低如60FPS就根本不因此而有閃爍感 Refreshrate慢點當然有好處 首先顯示器的工作頻率低了負擔輕了 壽命也長 耗電量也小了(理論上多少如此) 此外垂直同期的APP程序的FPS也更低了(當然不會低到肉眼感覺畫面不流暢的頻率啦) CPU/GPU的開銷也進一步減小

綜上所述 把液晶顯示器Refreshrate盡量調低 以及給Realtime Graphics App設置垂直同期的執行方式 是最優化精簡最節能最環保的最值得提倡的方案!