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翻译：VESA Adaptive-Sync / AMD FreeSync / VRR 白皮书[通俗易懂]

全栈程序员站长

发布于 2022-06-28 09:01:42

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大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

译者注

近两年，VRR 技术又开始火了起来，无论是 DRM 驱动框架，还是 Xorg 、Sway (Wayland Compositor)，都陆续添加了对 VRR 的支持。就连今年即将发布的 AndroidR，也都原生支持了 VRR 的功能。其实 VRR 技术早在 2014 年就已经提出了，但一直用于 PC 平台。随着移动平台 GPU 和 Display 硬件技术的不断发展，可支持的帧率和分辨率也越来越高，游戏玩家对于游戏体验的流畅度要求也越来越高。再加上越来越多的手机开始支持 DisplayPort 接口，将 VRR 技术运用于移动平台已经成为新的趋势。因此本人决定将 VESA Adaptive-Sync 白皮书翻译成中文，方便大家阅读。

由于 VESA Adaptive-Sync 标准主要由 AMD 工程师参与定制，因此它实际上就是 AMD Project FreeSync 的一个子集，FreeSync 除了支持 DisplayPort 接口外，还支持 HDMI 接口。《VESA Adaptive-Sync 白皮书》其实就是《AMD Project FreeSync 白皮书》的修改版，因此本文也加入了 FreeSync 的一部分内容（即“实现方案简介”一节）。

以下为正文内容。

介绍

多年来，显示行业一直存在一种普遍的认识，即显示器是以固定不变的刷新率（refresh rate）来显示的，如 60Hz。这与以下事实形成鲜明对比：送给显示器的图像内容多种多样，每种图像都有自己特有的、变化的帧率（frame rate）。当显示的刷新率与图像自身内容的帧率不同步时，用户可能会察觉到撕裂（tearing）和卡顿（stutter）之类的异常效果。在移动终端上（如平板、笔记本电脑），对于静态图像和视频播放来说，较高的显示刷新率不仅显得多余，还增加了系统功耗，降低了续航能力。这些影响促使我们去寻找一种技术，能允许显示刷新率适应图像自身内容的帧率变化。视频电子标准协会（VESA®）已经制定了这样一个行业标准，通过 DisplayPort 和 Embedded DisplayPort（eDP）接口，实现交互式的可变刷新率（VRR，Variable Refresh Rate）功能，也就是 “Adaptive-Sync” 技术。本文描述了该技术的使用场景，以及它给我们带来了哪些好处。

图 1 展示了 VRR 方案如何让 graphics source 基于典型的内容帧率来动态调节显示刷新率，从而实现省电、无卡顿（stutter-free）和低延迟（low-latency）的画面更新效果。

图 1: 基于内容动态调节的显示刷新率

DisplayPort Adaptive-Sync 使用场景

游戏场景

VRR 技术可以大大改善游戏的用户体验。在一个典型的游戏场景中，由于整个游戏过程中 GPU 运算工作量各不相同，渲染的帧率也会随着时间变化差异很大（如图2所示）。那些细节很少或特效很少的场景将以高帧率快速渲染，而其他具有更多细节和特效的场景（如爆炸、烟雾等场景）则可能需要较长的渲染时间。这种帧率的变化通常会让玩家在选择屏幕刷新方式时进行权衡，比如在他们的设置程序中开启“VSync”同步功能。

图 2: 典型游戏场景中渲染帧率随时间变化的曲线图

启用“VSync”同步后，Display 硬件只会在帧与帧之间的 VBLANK （垂直消隐）区间切换显示 buffer，这样就能保证显示器上始终显示的是一帧完整的画面，且不会出现撕裂的现象。这对于游戏渲染帧率高于显示刷新率的情况来说，效果非常好。但如果游戏的帧率低于显示的刷新率（例如，在短时间内出现大量密集的动作），那么新渲染的一帧就不能及时的在 VBLANK 区间内准备就绪，于是上一帧老的画面就会在显示器上重复显示。如下图 3 所示，因为 B 帧需要较长的渲染时间，导致 A 帧不得不被重复显示2次，最终的结果就是用户感知到了卡顿和延迟。对于该问题，游戏玩家通常会选择禁用 VSync，这的确能避免卡顿和延迟，但它却带来了撕裂的问题，尤其是在快速移动的场景中，撕裂现象尤为明显。

图 3：VSync（上）与 Adaptive-Sync （下）工作方式的区别

VRR 技术，如 DisplayPort Adaptive-Sync，提供了一种机制，允许显示刷新率随着游戏的渲染帧率而动态变化，以此来解决上面遇到的问题。就像图3下半部分所展示的那样，在更新显示 B 之前，Display 硬件会一直等到该帧彻底渲染完成后才开始执行刷新动作，这样可以确保每帧几乎都是在第一时间显示出来的，从而避免了延迟的发生。同时还能确保每帧不会在 Display 硬件的刷新周期内被重复显示，因而也避免了卡顿的问题。显示刷新率与渲染的帧率同步后，还可以避免因关闭 VSync 所造成的撕裂问题。DisplayPort Adaptive-Sync 技术为实现流畅的游戏体验提供了理想的解决方案，既降低了延迟，又避免了撕裂的发生。

视频播放场景

DisplayPort Adaptive-Sync 还可以用于游戏之外的应用场景，比如对于具有固定播放帧率的视频，可以将显示刷新率调整为视频播放的帧率，以此来实现几乎任何帧率视频的流畅播放（如 23.98 fps、24 fps、25 fps、29.97 fps、30 fps、48 fps、50 fps、59.94 fps、60 fps）。DisplayPort Adaptive-Sync 可以在几乎任何视频帧率下提供几乎无抖动的播放，而无需高成本的帧率转换后处理（FRC，Frame Rate Conversion），这也有助于降低视频播放时的整机功耗。

系统功耗优化场景

VRR 技术作为笔记本内嵌显示面板的一项系统节能技术，已经被笔记本制造商使用了多年。Embedded DisplayPort （eDP）接口早已具备支持该技术的能力，例如，当系统进入静态画面显示状态时（即屏幕上没有新的内容更新），显示器的刷新率会降低到它所能支持的最低频率，以此来节省功耗。终端用户是感知不到刷新率的切换的，而且因为不需要额外的硬件来开启这一功能，对 PC 制造商而言成本也很低。

实现方案简介

AMD 的 Project FreeSync 实现方案需要在每帧的基础上调整 VBLANK 持续时间，以此来改变所产生的帧周期，进而改变刷新率。图 4 中展示了通过增加 VBLANK 的时间来实现降低刷新率的方法。

图 4：调整 VBLANK

在这种操作模式下，DisplayPort receiver 必须忽略与 VBLANK 相关的时序变化，此时就必须从 DisplayPort source 端跟踪时序，DisplayPort source 将通过写寄存器的方式来通知 receiver 进入此操作模式。要想达到即插即用的用户体验，显卡驱动程序需要读取显示器上报的能力来实现对该功能的支持。显示器的 EDID 必须正确的标识它是一个“连续可变频率的显示器”，并上报显示器所支持的刷新率范围，以便显卡驱动设置刷新率范围（最小值和最大值）。