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新的流畅体验,90Hz 漫谈

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2019/05/15 Share

PC 上高刷新率屏幕很早就出来了,但是 Android 上高刷新率屏幕出现在 Android 手机上还只是这两年的事情,尽管雷蛇去年就推出了 120Hz 屏幕的手机,但是反响平平;而个人认为今年努比亚的红魔 3 和 OnePlus 的 7 Pro 推出的 90Hz 的屏幕才是 Android 手机目前这个阶段最好的选择,也是目前能显著提升用户体验的一个点。对高刷新率屏幕没啥概念的,可以去苹果体验店体验一下 120Hz 刷新率的 iPad Pro。

技术术语解释

什么是屏幕刷新率 ?

首先我们需要知道什么是屏幕刷新率,简单来说,屏幕刷新率是一个硬件的概念,是说屏幕这个硬件刷新画面的频率。

举例来说,60Hz 刷新率意思是:这个屏幕在 1 秒内,会刷新显示内容 60 次;那么对应的,90Hz 是说在 1 秒内刷新显示内容 90 次。至于显示的内容是什么,屏幕这边是不关心的,他只是从规定的地方取需要显示的内容,然后显示到屏幕上。

什么是 FPS ?

首先需要说明的是 FPS 是一个软件的概念,与屏幕刷新率这个硬件概念要区分开,FPS 是由软件系统决定的。

FPS 是 Frame per Second 的缩写,意思是每秒产生画面的个数。举例来说,60FPS 指的是每秒产生 60 个画面;90FPS 指的是每秒产生 90 个画面。

什么是 Vsync ?

VSync 是垂直同期( Vertical Synchronization )的简称。基本的思路是将你的 FPS 和显示器的刷新率同期起来。其目的是避免一种称之为”撕裂”的现象.
对比 60 fps :
60 fps 的系统 , 1s 内需要生成 60 个可供显示的 Frame , 也就是说绘制一帧需要 16.67ms ( 1/60 ) , 才会不掉帧 ( FrameMiss ).
90 fps 的系统 , 1s 内生成 90 个可供显示的 Frame , 也就是说绘制一帧需要 11.11ms ( 1/90 ) , 才不会掉帧 ( FrameMiss ).

什么是 Input 扫描周期 ?

Input 的扫描周期在 8 ms左右, 不同的手机会有不同, 由于 Android 系统的 Display 系统是以 Vsync 为基础的, Input 事件也是在 Vsync 到来的时候才会去处理.

所以当一个 Vsync 周期为 16.67ms , Input 周期为 8ms 的时候, 可以保证一个 Vsync 周期内存在 2 个 Input 点.
当一个 Vsync 周期为 11.11ms , Input 周期为 8ms 的时候, 一个 Vsync 周期内可能存在 2 个 Input 点. 也可能存在 1个 Input 点. 这会带来不均匀的 Input 体验.

90Hz 用户体验

屏幕刷新率系统fps相对应的时候,才会带来最好的效果。从目前的硬件水平来看,90Hz 屏幕 + 90Fps 系统的组合才是目前最好的选择;其他的组合比如 90Hz 屏幕跑 60 fps 的系统,则会有屏幕刷新的时候,系统内容还没有准备好,只能显示上一帧这种情况;比如 60Hz 跑 90 fps 的系统,则会出现丢帧的情况,因为系统内容准备速度要比屏幕刷新速度快,势必有的帧绘制好却没有显示就被丢弃了。

另外 120Hz 的屏幕 + 120 fps 的系统肯定是未来发展的趋势,看看 iPad Pro 就知道了,但是目前的 Android 系统架构和硬件,都不足以支持 120Hz 的屏幕 + 120 fps 的系统,就算强行上,体验也会比较差,而且也会有很多的妥协。

相信到了 2020 年,120Hz 的屏幕 + 120 fps 的 Android 手机大家就可以买到了。

对比视频我们就直接看 OnePlus 的这个视频:90Hz 和 60Hz 屏幕使用对比

从系统角度来看 90fps 的工作原理

简单来说,Android 系统在工作的时候,由下面几个步骤:

  1. 事件触发,比如说用户点击图标,或者滑动 List
  2. 系统把事件分发给对应的 App,比如在桌面点击图标启动应用–对应点击事件,或者微信朋友圈滑动 – 对应滑动事件
  3. App 拿到事件之后,对事件进行处理,不过有的是应用本身来处理,有的是系统帮忙处理,比如滑动事件的话,则会触发列表上下滑动,加载新的 Item 之类的
  4. 一旦 App 内容有更新,则会触发 App 的 measure、layout、draw 操作,开了硬件加速的话则会使用 RenderThread 进行这一帧的绘制,绘制好之后的 Buffer 会给到 SurfaceFlinger 进行合成
  5. SurfaceFlinger 把各个图层合成后通过服务交到屏幕这边进行显示。

需要说明的是,90fps 和 60fps 在流程上基本没有差别。

90fps 下 App 的渲染流程

90fps 下 App 的渲染流程
注: Systrace 是按照时间线从左到右展示

90fps 下 SurfaceFlinger 的渲染流程

90fps 下 SurfaceFlinger 的渲染流程
注: Systrace 是按照时间线从左到右展示

90fps 的优势和挑战

优势

  1. 90fps 会带来更加顺滑的用户体验, 60fps 的时候, 1s 才更新 60 张图,这 60 张图在 1s 内顺序播放从而让人的视觉认为是连续的画面在播放 , 但是人眼会比较挑剔 , 所以当看多了 90 fps 的画面, 即每秒播放 90 张画面的时候, 再回去看 60 fps 就会觉得卡顿, 不连贯.
  2. 高刷新率屏幕使用习惯了,会没法适应低刷新率的屏幕,这是一个不可逆的过程,在挑选手机的时候需要注意这一点。
  3. 另外随着用户更换手机的频率变低,买一台一步到位的手机还是比较重要的,顶级屏幕 + 大电池 + 顶级 SOC + UFS + 大内存。今年下半年会有不少这样的机器出现,目前还在观望的同志可以再等等。

挑战

  1. 性能
    1. 90fps 的挑战主要在于性能, App 在 60fps 的时候, 只需要 App 和 SurfaceFlinger 把每一帧处理的时间控制在 16.6 ms之内, 就可以保证不会掉帧 (当然由于 Triple Buffer 的存在, 偶尔超过也不会掉)
    2. 到了 90fps , App 和 SF 都需要将一帧的时间压榨在 11.11ms 之内, 才可以保证不掉帧. 这里的两个挑战, 一个是 App 端, 一个是 SurfaceFlinger 及其相关的进程端 (加上 crtc 和 hw service).
    3. 由于对性能要求比较高,主要是对 cpu 的性能要求比较高 (其次是 io 和 gpu ) , 所以 90fps 需要更加强劲的硬件做支撑 (高通 855 , UFS 3.0 ), 这也是为什么到现在 90hz 的屏幕 + 90 fps 的系统才得以出现并提供良好的用户体验 ( OnePlus 7 Pro). (所以 120 fps 的雷蛇,需要把一帧的时间压在 8.3 ms , 其硬件性能是不足以支撑的.)
  2. 功耗
    1. 90Hz 的屏幕会比 60Hz 的屏幕更加耗电,尤其在高分辨率的情况下,所以优化好使用时功耗,是后续厂商需要考虑的问题。
    2. 有些场景和 App 是不支持 90fps 的,这时候可以把系统的 fps 降低到 60
    3. 有些场景用户为了省电,可以把屏幕分辨率从 2K 调整到 1080P
  3. App 适配
    1. 大部分 App 不用做什么事情,就可以在 90 fps 的系统上跑,但是是否流畅就只能各自发挥了,有些写的好或者本身就不是很复杂的 app,跑起来就很顺畅,有些 App 则在 60 fps 下表现很好,但是到了 90 fps 下就比较差。
    2. 大部分游戏都是自主控制刷新率的,要在 90 fps 的系统下跑,需要游戏厂商进行针对性的优化,使其可以跑 90fps,也可以流畅跑 90 fps。
    3. 其他场景,比如 WebView,SurfaceView 这些,则需要根据内容来做调整。

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CATALOG
  1. 1. 技术术语解释
    1. 1.1. 什么是屏幕刷新率 ?
    2. 1.2. 什么是 FPS ?
    3. 1.3. 什么是 Vsync ?
    4. 1.4. 什么是 Input 扫描周期 ?
  2. 2. 90Hz 用户体验
  3. 3. 从系统角度来看 90fps 的工作原理
    1. 3.1. 90fps 下 App 的渲染流程
    2. 3.2. 90fps 下 SurfaceFlinger 的渲染流程
  4. 4. 90fps 的优势和挑战
    1. 4.1. 优势
    2. 4.2. 挑战