三重缓冲 小科普 | 游戏中的“垂直同步”与“三重缓冲”究竟是个啥？

从今天开始，我们打开“小教程”——小科普的兄弟专栏，介绍一下我们在配电脑或者玩游戏过程中经常遇到的专业术语。

在《小科普》第一期，我们就来谈谈游戏中经常遇到的一个屏幕选项——垂直同步

我们在第一次演讲中就和你谈到了垂直同步的作用。可惜演讲有60秒的长度限制，无法向你解释清楚。所以今天，我们将详细分析“垂直同步”:

到底是用来干嘛的？

有什么缺点吗？

与伴侣的「三重缓冲」是什么？

还有最重要的一点:我应该在游戏里打开吗？

另外，这篇文章不好读。如果是长脑子看的话，建议直接看最后结论。

▌垂直同步是为了什么？

要解决这个问题，首先要说的是“垂直同步”解决的问题——画面撕裂。我们在玩游戏的时候，有没有遇到过下面的画面:

分一帧画面，这叫“撕图”。

不过，你可能会说，我用的是高端显卡。为什么这个问题还在发生？

你也别说越高端显卡帧数越高越容易出现这个问题。

下面我们就来说说图片被撕的原因。为了便于您理解，让我们简单谈谈显卡如何与显示器配合使用:

可以看出，视频内存中的“帧缓冲区”是图像传输的关键区域，显卡生成的一帧会先写入帧缓冲区。另一方面，一台60Hz的显示器每秒可以显示60张图片，也就是说每隔1/60秒，它就会向显示卡发送一个“垂直同步信号”，向帧缓冲器请求一次图片数据，然后显示。

但是，有帧缓冲区会导致问题。这个缓冲区会不断的写入新的图片并发送到显示器上，这样整个写入的过程都会显示在屏幕上，从而导致图片闪烁等问题。因此，大多数现代图形工作流使用双缓冲:

双缓冲区中有两个缓冲区。显卡只会将绘制的图像写入后缓冲区，而只会将前缓冲区的图像发送到显示器。

写后缓冲区的“新鲜”图像时，请注意程序不会将后缓冲区的图片转移到前缓冲区，而是交换)——缓冲区——前缓冲区和后缓冲区的名称颠倒，即前缓冲区变成后缓冲区，后缓冲区变成前缓冲区。之后，刚刚在后缓冲区中绘制的图像就可以平滑地传输到监视器上。经过这一折腾，程序可以在不影响显卡的情况下，将图像写入后缓冲区，将前缓冲区的图像传输到显示器，然后进行下一次“缓冲区交换”。

但是双缓冲有一个问题，因为两个缓冲可能随时交换，所以出现这种情况:前缓冲的图片刚传到显示器，两个缓冲交换，后面传原来后缓冲的图片。然后，显示器上的一个画面变成前后两帧的组合，这就是画面撕裂。这个问题在高帧率的情况下尤为明显，因为帧率越高，前后缓存的交换越频繁，发生这样的事件的概率就越高。

-哇，画面就是这样流泪的！有什么办法解决吗？

——当然还有“垂直同步”选项。

开启垂直同步相当于在帧缓冲区设置红绿灯。显示器未刷新完一帧时，红灯亮，两个缓冲区不允许互换；当显示器刷新一帧时，绿灯亮，可以交换缓冲区。这样就消除了“数据传输过程中交换缓冲区”的可能，画面撕裂的问题也就自然解决了。

但是这个功能为什么叫“垂直同步”？这是因为在CRT大屁股显示器时代，显示器的刷新是逐行或隔行的，电子枪是逐行进行的。每一行结束后，就说这一行完成了“水平同步”，到了最后一行的最后一个像素就完成了一帧的显示。然后显示器会向显卡发送一个“垂直同步信号”，表示垂直像素也完成了同步，也就是这个帧刷新完成了。

-哇，垂直同步这么好，我现在去游戏打开怎么样？

-不用担心，虽然“垂直同步”可以完全防止画面撕裂，但是它的副作用也很明显——操作延迟。

当帧率远高于显示器的刷新率时，为了保持显示器的刷新时间与显卡将图片写入缓冲区的时间同步，需要人为增加延迟，以延迟“生成图片过快”向显示器的输出。所以在竞技类游戏中，开启垂直同步后的手感会大大降低。

这里有一个例子来说明:

这是传统双缓冲下，不开启垂直同步时的图像。由于300fps的高帧率，每两个“垂直同步信号”之间会产生多达5个画面，导致画面撕裂严重。

这是开始垂直同步后的图像。可以看出，图片撕裂的问题确实得到了解决，但是为了保持帧缓存器交换时间与显示刷新时间同步，帧缓存器中的图片会在一个刷新周期后显示。使用60Hz显示器时，一个刷新周期的时间高达16.67ms，这意味着每秒5帧的图像延迟只有3.3 ms，现在因为等待一个刷新周期，延迟突然增加到13.3 ms，对于能区分5ms和1ms显示器的电竞选手来说，多出来的10 ms延迟是非常可怕的。

-哦，不打开垂直同步，画面会撕裂，打开会有延迟，这样就不能兼顾画质和性能了吗？

-是的，画质和操作都有两种方式。

第一种方法是买个G-SYNC或者FreeSync的电竞显示器

这些显示器可以动态调整刷新率，使其与显卡输出画面的帧率完全同步，不仅可以解决无操作延迟的画面撕裂，还可以提供垂直同步效果，消除帧率低于60fps时的画面撕裂。不过这毕竟是一种花钱的方式，而且据我所知几乎没有一款电竞屏幕的屏幕质量是优秀的。为了达到低延迟，很多电竞屏幕都采用了TN面板，这对于电竞玩家来说是可以理解的，但是对于我这样的图片党来说似乎有点无法接受。

第二种方式，相信大家都猜到了:三重缓冲！

既然垂直同步的延迟是因为显卡输出一个图像后在等红绿灯，无法响应鼠标键盘的最新操作，那为什么不让显卡一直工作呢？这样就可以随时响应最新的输入操作了？三重缓冲就是基于这种思想设计的，在双缓冲的基础上增加一个帧缓冲，形成一个前缓冲和两个后缓冲。该程序将图像来回写入两个后缓冲区，每次刷新显示器时，前缓冲区都会与最近完成写入的后缓冲区交换。可以看出，即使一个缓冲区由红绿灯控制，另外两个缓冲区仍然可以来回写入图像，因此不需要人为增加画面延迟。

这个图说明了三重缓冲的原理，它结合了前两者的优点。

但是，三重缓冲并不完美。首先，因为需要一个额外的帧缓存，所以会占用更多的视频内存空。比如我们在运行4K分辨率的《质量效应:仙女座菌株》时，三重缓冲占用了大约200MB的视频内存，这是我们可以接受的。其次，虽然它的延时远低于双缓冲下的垂直同步，但可能比没有垂直同步的略高，因为没有垂直同步的画面不仅会给你带来眼泪，还会包含最新的帧图像。如果启用三重缓冲，画面中“下一帧”的冗余元素会被消除，延迟自然会比前者略高。不过比起全屏的撕，我明显会选择三重缓冲...

看到这里，你迫不及待的打开三重缓冲。的确，垂直同步+三重缓冲是一项很棒的技术，可以在不造成画面延迟的情况下有效改善画面撕裂。但问题是DirectX本身并不支持三重缓冲！相反，使用了一种称为“预渲染队列”的方法。这种方法与三重缓冲的区别在于，它不会丢弃显卡渲染的未使用帧，而是会强制显示这些旧帧，从而造成更大的操作延迟，甚至大于光学垂直同步的延迟。如果DirectX游戏想使用三重缓冲，游戏厂商需要提供相应的支持。

遗憾的是，虽然很多使用DX API的游戏在屏幕选项中提供了“三重缓冲”选项，但实际上使用的是“3缓存的预渲染队列空”。这些游戏是否使用真正的三重缓冲，只有亲身体验过才能明白。所以三重缓冲能否开启，取决于游戏厂商的心情。

▌总结:

应该开启垂直同步和三重缓冲吗？如果游戏支持且条件允许，尽量驱动。但是如果你的显卡达不到这么高的速度，或者你发现某款游戏在三重缓冲下操作延迟还是很高的，那就关掉。

这篇文章的阅读难度不低

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“垂直同步”和“三重缓冲”的工作原理

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最后，请参考随附的参考资料

原文来自国外媒体Anandtech:

三重缓冲:我们为什么喜欢它

http://www.anandtech.com/show/2794/

国内超级电网翻译:

http://bbs.expreview.com/thread-21762-1-1.html

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