游戲卡幀深入探索！揭開渲染延時面紗
泡泡網顯卡頻道11月30日 愛因斯坦曾說過：“在戰爭時期，應用科學給了人們相互毒害和相互殘殺的手段。在和平時期，科學使我們生活匆忙和不安定……”。拋開這句話的權威與否暫且不談，科學是把雙刃劍的說法倒是為大眾所接受，而越是“革命性”的技術，越可能存在負面的隱患。
這種現象無可避免的出現在我們的生活中，舉個和游戲玩家息息相關的例子：影響游戲畫面，導致不正常幀數產生的罪魁禍首恰恰就是改善畫質的功臣：抗鋸齒（Anti-aliasing）和DirectX 10特效。
這在《游戲為何總是卡？人眼成像背后的秘密》一文中有了科學的論斷，究其原因我們發現游戲畫面的幀數并不像電影那樣間隔時間相等，而是忽快忽慢，個別幀數渲染更是達到了正常時間的幾倍，當這些幀出現，肉眼就會感覺到明顯的卡頓現象。
要命的是，目前絕大多數新游戲都有這個毛病，換句話說就是說即使您的電腦性能足夠強大，玩游戲依然會卡！
診而不治者，視為絕癥。如果僅僅找到元兇，但卻拿它們毫無辦法，那研究的意義就會大打折扣。之前也有業內人士認識到游戲卡頓現象，做了不少關于每幀渲染時間方面的測試和探索，但最終卻和真相擦肩而過。
DX10游戲場景的天氣變化
既然我們并不滿足DX9C的FPS游戲，也不想為了畫面的流暢去調低畫質和分辨率，關掉抗鋸齒，那么了解一下那些硬件和卡頓的關系密切，那些毫無關系就顯得至關重要了。
如何搭配硬件才能最大限度避免卡幀？
如果說《游戲為何總是卡？人眼成像背后的秘密》一文是揭開了渲染效率和畫面質量之間矛盾的冰山一角，那么本文的目的就是找出一勞永逸消除卡頓的解決之道。
首先簡單介紹一下每幀生成時間測試的方法，這將是本文數據采集的重要方式。
使用我們的Fraps fps軟件，在上面并不常用的Frametimes選項前面打勾。這樣測試完畢的結果，通過函數計算就有了每幀生成時間的數據，具體算法在《游戲為何總是卡？人眼成像背后的秘密》中已有介紹，感興趣的朋友可以去看看，這里就不再贅述了。
測試平臺使用了Intel Core i7 3770K，8GB DDR3 1600內存和HD7850等硬件。
● 測試平臺主板：技嘉G1.Sniper M3
技嘉 G1.Sniper M3是一款采用m-ATX板型設計的高端Z77主板，它結合了屢獲殊榮的G1.Killer設計理念，目標是給玩家提供強大的性能。無論是內建Creative專業級音效處理器、Sound Core3D高質感音效輸出還是支持 cFosSpeed 與網絡加速技術的芯片，都是為了讓玩家能有最棒的娛樂和聯網游戲體驗。
● 測試平臺電源：Antec HCP1200
安鈦克Antec HCP1200電源在世界超頻大賽中非常常見，通過了80PLUS認證，轉換效率高達92.4%，支持4路12V輸出，最高電流72A，支持四卡SLI/交火。平均無故障運行時間為10萬小時。配備一顆8cm靜音風扇，運行噪音極低。
● 測試平臺SSD：OCZ Vetrx3 240GB
OCZ的Vertex系列屬于它的高端固態硬盤，專門為高端玩家和存儲發燒友設計。隨著Sandforce控制器大紅大紫，OCZ也將Vertex系列升級到了全新的SF1200方案。如今SATA3.0 6Gbps接口大行其道，OCZ推出了基于SF2200系列主控芯片的Vertex 3固態硬盤，涵蓋60-480GB容量范圍。
下面正式踏上我們的探索之路。
依然用對顯卡要求比較低的DX10游戲FarCry2來測試，這款游戲自帶Benckmark，而且各種游戲特效選項一應俱全。測試設置如上圖所示，DX9模式下，所有特效全部開到最高，包括8XAA。
在顯卡性能足夠強勁的情況下出現幀數渲染異常延時，我們首先會想到的就是CPU。這里我們選擇一款高端i7 3770K和一款低端Pentium G840來對比一下就明白是不是CPU的問題了。
CPU測試
G840千幀渲染波動圖
整個測試過程生成了數千幀，本次測試我們考察了前一千幀數據，這個數據量已經足以說明問題。
可以看出基本上每幀的生成時間都在10-15ms，但是極個別幀數沖到了20多毫秒甚至35毫秒秒以上！同樣如果是大多數幀數在30-40ms，那有可能個別幀數會沖到100ms以上，如果在游戲中感覺到了卡頓，那么這些幀無疑就是罪魁禍首！
i7 3770K千幀渲染波動圖
兩個圖合并在一起，分析測試結果我們可以得出如下結論：
CPU的確會讓游戲幀數出現波動，但它并不是主因。低端CPU只會造成幀數渲染的小幅波動，并不會造成大幅度延遲幀的出現。使用目前比較高端的CPU，依然會出現卡頓，所以更換高級CPU，游戲該卡一樣卡。
內存測試
至此關于改善CPU和內存可以讓游戲渲染異常幀減少或者消失的幻想可以打住了，既然低端和高端CPU、低頻和高頻內存都沒有什么明顯差別，中間的已然沒有測試的必要了。
通過上面的測試，我們雖然沒有找到解決游戲卡幀的有效方法，卻讓CPU和內存沉冤得雪，也算有所裨益。
本來幾乎被認定有罪的CPU和內存，現在突然都有了不在場證明，看來之前所有的推理并不成立。線索斷了以后，我們還得老老實實從頭分析——還有那些因素會造成個別幀渲染時間超長呢？
想要明察秋毫，還得案情重組，回過頭逐步分析渲染的步驟，才有可能找出蛛絲馬跡。
游戲的幀數完全是實時渲染而成的。每一幀從生成到渲染完畢，過程非常復雜。
簡單一點來說，先要生成三維圖像模型（幾何模型），將它們保存在自身的建模空間，然后通過模型變換將單獨的幾何模型移動到世界坐標系中，然后通過被稱為“相機變換”的過程，將幾何模型的世界坐標系轉換為攝像機坐標。相機坐標的參數包括投影方式、近平面、遠平面、視野和屏幕的長寬比例，它們決定了物體從相機坐標系投影變換到屏幕坐標系的位置。
這些參數實際上定義了一個視域四棱錐，也叫做視錐體。然后通過裁剪優化算法，通過投影到平面生成最初的二維畫面。接著通過消隱、光照計算、紋理映射、顏色融合等光柵化操作來算出相對正確的像素顏色，呈現出凹凸感、陰影、景深等效果，生成最后的游戲畫面。一幀畫面的誕生，至少包含了上述所有步驟，而其中每一步出現問題和延遲，都會對最終成像速度造成影響。
了解了渲染成像的步驟，我們將目光再次鎖定在了顯卡上。逼近整個渲染過程基本都是顯卡一力承擔，可以大膽猜測一下，可能是其中某些環節的不正常遲滯造成了個別幀渲染時間過長，最后導致畫面卡頓，于是下面我們將地毯式搜索顯卡的每一個零部件……
既然基本上渲染的所有運算都在GPU核心內進行，那我們將GPU超頻，能否阻止延時幀的生成呢？
GPU核心超頻測試
GPU核心超頻以后，整體性能有所提升，但對于超時渲染bug沒有什么作用。
顯存就好比是顯卡的倉庫，一般來說，顯存中所存儲的數據主要由以下5部分組成：幀緩存（Frame buffer）、后臺緩存（Back buffer）、Z軸緩存（Z-buffer）、紋理數據和幾何數據。
顯存超頻測試
而且實際游戲中顯存的使用情況更加復雜：
抗鋸齒需要多重采樣，打開這一特性，程序預生成的幀所需的顯存容量將成倍增長。另外，3D圖形技術發展迅猛，像HDR、各種陰影渲染等最新技術一旦打開，顯存壓力更大，那將顯存超頻能否降低延時呢？
可以看到目前的DDR5顯存默認性能已近足夠，超頻以后非對游戲性能的影響幾乎可以忽略，而對于延時幀更是毫無作用。
本已逐漸明確的案情再次變得撲朔迷離……
顯卡居然不是卡幀的原因？為了100%證明顯卡的清白，讓舟子都無法質疑，我們請出了AMD旗艦——HD7970！
旗艦顯卡測試
可以看出即使是旗艦顯卡也會產生非正常延時幀數，這下顯卡終于可以完全洗去嫌疑了？不，還差一點！
核心架構設計缺陷導致延時幀的出現？
AMD與NVIDIA這一代GPU架構上發生了翻天覆地的變化，兩者都拋棄了沿用幾代的GPU架構體系設計，創造了全新圖形產品。這種架構會不會在緩存、流處理器簇、線程調度機制上出問題而導致BUG呢？之前都是拿A卡測試，N卡表現又當如何？
雖然性能基本相當（GTX650Ti稍弱），但因為GTX650Ti和HD7850架構完全不同，所以相同的場景下渲染速度完全不同。從渲染時間可以看出，A卡快的時候N卡慢，N卡快的時候A卡慢，而GTX650Ti出現的異常幀延時同樣很高。
至此CPU、內存、GPU、顯存我們全面進行了測試，現有的硬件無論如何搭配均會出現不同程度的卡頓現象。難道真就沒有讓游戲既能全開特效，又能變流暢的方法了嗎？
● 消除卡頓兩部曲：垂直同步和三重緩沖
以前有玩家反映選擇垂直同步后畫面變卡或者幀數下降，其實主要原因就是沒有開啟三重緩沖，當然這會消耗更多的顯存空間，但是現在顯卡顯存動輒1G以上，這也算不上什么問題了。 假如關閉這兩項，顯卡性能很強的情況下，游戲幀數會有超過60幀甚至上百幀的情況，但是現在我們大多數使用的液晶固定刷新率都60，所以那些測得的高幀率完全沒有實際意義，只會讓顯卡玩普通游戲都處于滿載狀態又費電又熱。
打開垂直同步后，游戲畫面FPS數能達到或超過你顯示器的刷新率，這時游戲畫面FPS數被限制為你顯示器的刷新率，畫面流暢平滑，同時還能防止高速移動時游戲畫面出現的撕裂現象。在文章的最后，我們費了九牛二虎之力，沒有找到硬件之病因，卻發現了軟件之良藥……
既然說到了垂直同步，那就不得不介紹一下它的黃金搭檔——“三重緩沖”。
三重緩沖（Triple Buffering）圖象處理技術的原理和它的名字一樣具體而簡單，一句話概括就是使用一個前置緩存和兩個后置緩存。在著色完第一個后置緩沖區的數據后，立即開始處理第二個后置緩沖區。三重緩沖，有3個緩沖區，顯卡無需等待前緩沖區清空進而騰出后緩沖區，隨時可以把渲染結果放入第3個緩沖區。這就是說，可以在打開垂直同步的同時最大限度保持應有的幀速了。事實上AMD和NVIDIA的驅動中都有打開三重緩沖（triple buffering）的選項，但美中不足的是驅動中的3重緩沖選項只對OpenGL游戲起作用。
全文總結：
一路歧途走來，最終卻意外到了終點，這恐怕是本文的真實寫照。雖然到了最后，我們不得不接受一個現實：CPU、內存、顯存、GPU，這些對性能影響很大的硬件，竟然都不能有效阻止游戲卡幀！但之前所有的努力探索依然很有價值，如果不將他們一一排除，必然還會有很多朋友在上面白白浪費精力和資源，而經過實際驗證，垂直同步才是從根本上解決這一棘手問題的有效方法。
人類的欲望是進步的動力之源，伊甸園中夏娃如果不摘樹上的蘋果，也許今天還在做上帝的寵物；同樣如果人人都對游戲卡幀無所謂，那永遠不會有流暢和完美的游戲。有人問蛇為什么要去引誘夏娃？上帝笑了。■<
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