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屏幕顯示圖像的原理

位圖.png

位圖(Bitmap) : 是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)位圖是由若干個(gè)像素組成，每個(gè)像素的顏色信息由RGB組合或者灰度值表示。根據(jù)位深度，可將位圖分為1、4、8、16、24及32位圖像等。每個(gè)像素使用的信息位數(shù)越多，可用的顏色就越多，顏色表現(xiàn)就越逼真，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量越大。

掃描.png

顯示器顯示的圖像就是將位圖中的數(shù)據(jù)映射到屏幕上，映射的過程是有一個(gè)電子槍，從屏幕的左上角開始進(jìn)行逐行的掃描，當(dāng)右下角的最后一個(gè)像素被顯示在屏幕上之后，電子槍又會(huì)回到左上角進(jìn)行下一幀圖片的顯示。屏幕的刷新頻率是固定的，通常是60Hz，即一秒鐘會(huì)刷新60次。

畫面撕裂產(chǎn)生的原因是由于顯卡的性能提升，輸出的幀率非常高，如果顯卡輸出的幀率超過60fps，兩者不同步，就會(huì)產(chǎn)生畫面撕裂。

如果電子槍掃描到屏幕的一半時(shí)，這時(shí)新一幀要顯示的畫面數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，就會(huì)將舊的數(shù)據(jù)給替換掉，那么此時(shí)電子槍掃描出來(lái)的數(shù)據(jù)就是新的一幀畫面。屏幕的上下兩個(gè)部分顯示的畫面就不是同一幀的數(shù)據(jù)，就會(huì)造成畫面撕裂。

ios_vsync_off.jpg

垂直同步+雙緩沖

為了解決畫面撕裂的問題，這里引入了一個(gè)新的技術(shù)，垂直同步和雙緩沖區(qū)。

垂直同步：而當(dāng)一幀畫面繪制完成后，電子槍回復(fù)到原位，準(zhǔn)備畫下一幀前，顯示器會(huì)發(fā)出一個(gè)垂直同步信號(hào)（vertical synchronization），簡(jiǎn)稱 VSync。

ios_screen_display.png

通常來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 CPU、GPU、顯示器是以上面這種方式協(xié)同工作的。CPU 計(jì)算好顯示內(nèi)容提交到 GPU，GPU 渲染完成后將渲染結(jié)果放入幀緩沖區(qū)，隨后視頻控制器會(huì)逐行讀取幀緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換傳遞給顯示器顯示。

有了雙緩沖區(qū)，兩個(gè)緩沖區(qū)協(xié)同工作，視頻控制器先從一個(gè)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，新的一幀的數(shù)據(jù)會(huì)被放在另一個(gè)緩沖區(qū)中，當(dāng)視頻控制器收到VSync后，視頻控制器就會(huì)交換兩個(gè)緩沖區(qū)，讀取新的畫面。

通過垂直同步和雙緩沖解決了畫面撕裂的問題，但是又引出了一個(gè)新的問題，那就是掉幀。當(dāng)我們的手機(jī)在快速滑動(dòng)的過程中感覺到卡頓的現(xiàn)象就是掉幀引起的。

frame_loss.jpg

我們知道每一幀畫面計(jì)算都是由CPU和GPU一同計(jì)算得到的，在刷新率為60Hz設(shè)備上，每個(gè)刷新周期是16.7ms, 如果在這段時(shí)間內(nèi)新的一幀應(yīng)該顯示的內(nèi)容還沒有被計(jì)算出來(lái)，那么這一幀就會(huì)被丟棄，顯示器顯示的內(nèi)容依然是上一幀的內(nèi)容。知道下一幀被計(jì)算出來(lái)，才會(huì)在下個(gè)VSync顯示。

圖像渲染過程

Core Animation 流水線

在介紹 Core Animation 流水線之前，我們先了解一下 Core Animation。

Core Animation

Core Animation 源自于 Layer Kit，動(dòng)畫只是 Core Animation 特性的冰山一角。

Core Animation 是一個(gè)復(fù)合引擎，其職責(zé)是 盡可能快地組合屏幕上不同的可視內(nèi)容，這些可視內(nèi)容可被分解成獨(dú)立的圖層（即 CALayer），這些圖層會(huì)被存儲(chǔ)在一個(gè)叫做圖層樹的體系之中。從本質(zhì)上而言，CALayer 是用戶所能在屏幕上看見的一切的基礎(chǔ)。

ios-core-animation-pipeline-steps.png

事實(shí)上，App本身不負(fù)責(zé)渲染，渲染是由一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程 Render Server 負(fù)責(zé)。

App通過IPC（進(jìn)程間通信）將渲染任務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)提交給 Render Server。 Render Server 處理完數(shù)據(jù)后，在傳遞給GPU。最后由GPU調(diào)用iOS的圖像設(shè)備進(jìn)行顯示。

Core Animation 流水線的詳細(xì)過程如下：

首先，App處理事件，如：用戶點(diǎn)擊事件，在此過程中App可能需要更新 視圖樹，相應(yīng)地，圖層樹 也會(huì)被更新。
接著，App通過CPU完成對(duì)需要顯示內(nèi)容的計(jì)算，如：視圖的創(chuàng)建、布局計(jì)算、圖片解碼、文本繪制等，在完成其內(nèi)容的顯示計(jì)算之后，App對(duì)圖層進(jìn)行打包，并在下一次Runloop 將其發(fā)送至Render Server，即完成了一次Comit Transaction操作。
Render Server 主要執(zhí)行 OpenGL、 Core Graphics相關(guān)程序，并調(diào)用GPU
GPU在物理層上完成對(duì)圖形的渲染。
最終，GPU通過 Frame Buffer、視頻控制器等相關(guān)部件, 將圖像顯示在屏幕上。