游戏开发基础知识之垂直同步V-Sync

什么是垂直同步V-Sync

垂直同步是显卡提供的一个功能，目的是将游戏帧率和显示器的刷新率进行同步。当开启V-Sync后，显卡会等待显示器本轮刷新完成，在这期间，显卡不会向显示器传输任何数据，并且通过双缓冲和页翻转（page flipping）技术确保当显示器刷新完成后获得下一帧的画面。

为什么需要V-Sync呢？

首先，FPS超过刷新率并不能提高实际感受到的帧率。因为你看到画面是最终要通过显示器的刷新来变化。比如显示器的刷新率是60Hz，那么如果游戏以120FPS的帧率渲染，实际上每渲染两帧才有一次更新显示器画面的机会，那么前一帧的渲染就浪费了，你只能看到第二帧渲染后的结果。当然这不是说FPS超过刷新率就一定没意义，更高的FPS带来更精细的计算和更高精度的输入处理。实际上，更重要的原因是，如果没有垂直同步，当FPS特别高时，显示器有可能在未刷新完成当前帧时，接受到一帧新的数据，那么就有可能在一次刷新过程中，同时显示两个不同的帧，当这两帧画面差异较大时（例如快速的移动镜头），就会产生明显的画面撕裂现象，体验很不好。而使用V-Sync则可以避免这种现象产生。

当帧率高于刷新率时，关闭V-Sync会产生画面撕裂

FPS低于刷新率时，V-Sync的问题

当然并不是打开V-Sync就万事大吉了。V-Sync不仅仅只是限制FPS，V-Sync做的事情是同步，即在合适的时候接受显卡发送来的画面。而当FPS低于刷新率时，有可能当显示器完成本轮刷新时，显卡还没渲染好下一帧画面。例如当前显示器刷新率为60Hz,即每次刷新之间的间隔约为16毫秒。假设当前游戏FPS为20FPS，即每50毫秒能渲染一帧。那么第16毫秒时，游戏还没有帧被渲染出来，本次同步无效（具体细节可能没那么简单），第20毫秒时第一帧被渲染出来放到帧缓冲区中，但此时没有到显示器的刷新周期，因此显卡只能等待。第32毫秒时，显示器刷新周期再次到来，帧缓冲区的内容被同步到显示器显示出来。那么实际上，一共花费了32毫秒才显示出一帧画面，实际的FPS为30。当然在第80毫秒时，渲染帧赶上了一次刷新，FPS暂时性的提高到60，但这之后又跟不上节奏，变回了30FPS。以上讨论的只是理想情况，实际情况FPS是变化的，总的来说，低帧率时往往赶不上刷新周期的车，导致实际FPS降低，且降低到刷新周期的倍数对应的FPS。这样，FPS的变化就不是平滑渐变的，而是在例如30和60FPS之间跳变，形成卡顿现象。

当FPS低于显示器刷新率时会产生垂直同步卡顿(V-Sync Stutters)

自适应的垂直同步(Adaptive V-Sync)

V-Sync打开时，如果帧率低于刷新率，会导致卡顿；而V-Sync关闭时，如果帧率过高，又会导致画面撕裂。那V-Sync到底应该开还是关呢？nvidia提供了自适应V-Sync功能，可以根据帧率的高低适时的关闭和打开V-Sync。

上图中，当FPS低于60时，自动关闭V-Sync，避免帧率直接卡顿到30。而当FPS高于60时，自动打开V-Sync，避免画面撕裂。
这个功能不错，但这是显卡厂商提供的管理功能，需要用户通过显卡控制软件自己打开。其实完全可以在游戏中自行判断是否要打开或关闭V-Sync。当然必须能在程序中控制V-Sync的开关。对于OpenGL可以使用wglSwapIntervalEXT来控制，DirectX也有相应的方法。