软硬兼施游戏更顺畅 NVIDIA G-Sync解析
前不久英伟达（NVIDIA）神秘兮兮地宣布要公布一个“超级秘密”，几乎所有人都一致认为这必然是为了应对AMD的攻势而拿出的新产品无疑。后来英伟达确实宣布了新卡GeForce GTX 780 Ti，然而这并非它所谓的“超级秘密”。真正的重磅武器是一项革命性的新技术：G-Sync。
游戏玩家们都知道，在游戏选项中可以开启或关闭V-Sync垂直同步，它在某些时候上能解决游戏画面撕裂的问题，然而多数情况下它只能添乱。GTX 600系列引入了自适应垂直同步技术，但那只是一种软件方案，并不能完美解决问题。所以英伟达这次拿出了软硬兼施的重磅技术G-Sync，旨在解决画面撕裂、延迟、卡顿的问题，增强现有显示器的功能，终使得游戏运行更加流畅。
典型的画面撕裂效果
罪魁祸首60Hz
美国人喜欢用12进制的英制，当初在确定电网频率标准时，为了便于计算，于是选择了60Hz。美国人大概不会想到这个频率还会影响到后人玩游戏的体验。我们知道电视机从发明出来一直到前些年，一直用的都是阴极射线管CRT。CRT的原理就是电子枪必须很快地逐个轰击荧光粉使其发光，才能让人眼感受到连续动态的图像。CRT的刷新率与电网频率匹配很有好处，一是让产品开发更容易，二是减少屏幕的电源干扰。既然美国人早开始大规模发电，电视机也是美国人发明的，那这刷新率毫无悬念就是60Hz了。到了PC时代，CRT电视已经十分普遍。CRT显示器采用60Hz刷新率无疑是简单、有性价比的选择。自此60Hz又成为了计算机行业的显示默认标准。30年来，CRT消亡，LCD、LED大规模普及，但60Hz的刷新率一直未变。
60Hz其实挺好，看电影，看网页，办公打字什么的都很不错，然而游戏玩家很痛苦。显示器按60H z刷新画面，GPU按帧渲染画面，但它的工作效率并不固定，视负荷的不同，有时候可能跟不上显示器刷新的节奏，有时候又远远超过显示器的刷新速度。这种反应不同步的后果就是显示画面帧速过高从而出现跳帧或画面撕裂，游戏期间这种现象是完全不能容忍的。
为了解决这个问题，让显卡别这么拼命，工程师们引入了“等待垂直同步信号”的技术。
CRT的基本构造以及“行”和“场”的扫描顺序
现代显卡上的RAMDAC大都和GPU合并成了一颗芯片。只有在一些老产品或专业绘图卡上才能看到它的身影了。
妥协退让垂直同步
V-Sync垂直同步是CRT显示技术中的术语。了解CRT工作原理的人都知道，CRT显示图像是由行扫描和场扫描信号一起控制电子束挨个儿猛击荧光粉实现的。行扫描信号控制电子束水平扫描一行，场扫描则负责等电子束扫完一列之后将它往下拉继续扫下一列，如此一行一行往下扫，扫遍整个屏幕便完成一场，形成单帧图像。行扫描和场扫描要想完美配合，就需要H-Sync水平同步信号和V-Sync垂直同步信号的协作。H-Sync加在两个扫描行之间，指示前一行扫描完成，下一行即将开始；V-Sync则加在两帧之间，指示前一帧结束，下一帧开始。V-Sync和CRT的刷新率紧密相关。
在计算机里，GPU持续绘制图像，每画好一帧图像就送到显存中保存，同时通知显卡上的数模转换器RAMDAC（现在的显卡上，GPU和RAMDAC大都合并成一个芯片了）并开始绘制下一帧。RAMDAC接到GPU通知后，按照一定的频率从显存中取出帧送到显示器。这个频率就是通常所说的fps。正常情况下，fps和显示器刷新率应该保持同步，但GPU绘图速度和RAMDAC的频率则经常不同步。如果GPU不顾别人的感受玩儿命绘图，就可能造成两种后果：
一种是RAMDAC有可能在某帧刷新到一半时接到GPU切换帧的指令，就只能强行换帧，导致这一帧的上半身显示上一帧，下半身则显示下一帧，形成画面撕裂。在很多FPS游戏中，画面运动快时这个现象尤其明显。
另一种就是GPU和RAMDAC配合得还不错，但RAMDAC输出的fps超过了显示器刷新率，显示器反应不过来，只能丢掉一部分帧，于是就出现了跳帧。一些从家用机上移植到PC的游戏中常会出现这种情况。
等待（即开启）V-Sync垂直同步信号的技术，可以强制让GPU绘图速度不得超过RAMDAC刷新速度，让它们工作更协调。对于GPU而言，这意味着减少了工作量，同时也减少了功耗。但显卡评测编辑绝对不喜欢，因为它无法体现显卡的真实性能。
游戏的垂直同步技术只是一个并不完美的妥协方案。当显卡输出帧速超过显示器刷新速度时它表现不错，能让游戏画面不再撕裂不再跳帧。但如果绘图工作量大，GPU忙不过来时又会怎样呢？在传统的垂直同步设定中，帧速被机械地划分成30fps和60fps两档。当显卡输出帧速超过60fps时，垂直同步程序会将画面帧速限定到60fps；但如果绘图工作量大，显卡输出帧速低于60fps，此时已经跟不上显示器刷新的步伐，垂直同步程序会果断将帧速降到30fps；等到绘图工作量稍微减小，显卡绘图速度加快，帧速又会限定到60fps。在一些大型游戏中，这种帧速大幅度变化不但会导致画面卡顿，游戏产生输入延迟，还会让玩家觉得眼疲劳和头痛。
略有改善的自适应垂直同步
英伟达的开普勒家族产品，除了带来更好的性能外，还带来了几项专为改善用户体验的技术，包括针对游戏画面进行优化的FAXX/TXAA抗锯齿、针对画面撕裂优化的自适应垂直同步以及针对游戏视野优化的四屏输出技术。当然这里我们只谈自适应垂直同步AdaptiveV-Sync，它的原理说穿了其实相当简单。传统的垂直同步技术一旦开启之后，只会限定60fps和30fps两档帧速。其实很多时候，游戏画面的帧速都是在30～60fps之间的范围内，很少会降到30fps，但也很少能达到60fps。此时如果依照传统垂直同步技术的脾气，帧速就会一直被锁定到30fps，非常影响游戏体验。而自适应垂直同步的意思就是，当显卡输出帧速很高时，AdaptiveV-Sync和前辈一样将游戏画面被限定在60fps；当显卡跟不上显示器的步伐时，AdaptiveV-Sync会自动关闭，让显卡自由发挥，防止帧速被强制降低。
实测开启或关闭传统垂直同步、自适应垂直同步下，画面帧速的变化。可以看出自适应垂直同步在画面低于60fps时不会强制降帧速。
G-Sync的三大目的：无卡顿，低延迟，无撕裂。
2012年9月，英伟达发布了GTX 650/660显卡，随后在306.23版的驱动中首次加入了自适应垂直同步的选项。根据实测，在高帧速下，Adaptive V- Sync和传统垂直同步功能一样，锁帧，降速，消除了画面撕裂的现象；在低帧速下，Adaptive V- Sync能让画面显得更加流畅，一定程度上消除了帧速大起大落带来的负面效果，带来不错的用户体验。不过如果你的显卡是开普勒之前的产品，就暂时无法拥有这个功能了。还有一点，Adaptive V-Sync仅在游戏全屏状态下才有效。例如《魔兽世界》等游戏典型的桌面（大化）设置将会使其无效。
但是严格分析起来，AdaptiveV-Sync仍然只是个妥协方案。因为不管显卡繁忙还是清闲，显示器永远按一个步调显示图像，不快，不慢，60fps就在那里。显卡只能看着显示器的脸色来被动调速。而对于玩家而言，一旦显卡工作量增大，帧速降低，画面迟缓卡顿、输入延迟的现象依然存在，还是影响游戏体验。
软硬兼施的G-Sync
2013年10月，英伟达公布了改善游戏体验的超级武器G-Sync，立即吸引了众多眼球。G-Sync的原理也并不复杂。传统垂直同步，包括自适应垂直同步的思路都是让显卡输出帧速来匹配显示器的刷新率，而G-Sync的思路是让显示器的刷新频率根据显卡输出帧速来调整。也就是说，画面是否流畅，完全取决于GPU，显示器不再是画面流畅度的束缚。
说起来也有道理。想想看，计算机里面，CPU、显卡、硬盘，个个都能根据负荷调整自身性能，那么凭什么显示器就一定要工作在固定刷新率？为什么每次都要显卡来适应显示器，显示器难道就不能“考虑”一下显卡的感受，“配合”一下大家的工作？
G-Sync现场演示，其中左侧这台的画面已经出现撕裂。
G-Sync扩展卡
其实也不能说显示器没有努力。说了半天，不就是因为显卡输出帧速超过了显示器刷新率，才引来这么多麻烦吗？那我们把显示器刷新率提高不就行了。所以才有120Hz显示器大行其道，而华硕、AOC等已经推出了144Hz的显示器。这下好了，再也不用管什么帧速了。任你怎么甩枪切枪，任你翻滚腾跃，画面都不会撕裂跳帧。但这依然只是照顾了高帧速下的情况，没法兼顾两头。低帧速下，该卡顿的还是会卡顿。毕竟，也许显卡的输出帧速已经跌到了40fps，但显示器依然工作在144Hz，你走得太快，灵魂跟不上。
有了G-Sync，情况就不同了。当显卡HOLD不住，帧速降到了40fps，GPU会顺便给显示器一个指令，让显示器的刷新频率也降到40Hz，这样一来哥儿俩就又在同一条起跑线上了，输出的画面也会达到佳显示状态。想想看，我们常看的电影帧速不过24fps，都觉得画面相当流畅。万一你要抬杠，说如果帧速降到几fps，或者超过144fps，G-Sync还能发挥作用吗？笔者认为，如果帧速低到了几fps，这已经不关G-Sync的事了，用户需要做的是换游戏或者换电脑。至于超过显示器高刷新频率的情况，以目前3D游戏的运算量，在高画质下，恐怕很少有显卡能让画面帧速达到这么高。如果你是运行《CS》之类的老游戏，那么G-Sync像老前辈那样锁帧就行了。
很多人看过一点资料后认为G-Sync会改变游戏帧速。其实G-Sync它既不能往上提高帧速，也不会往下压制帧速，而是GPU能达到多少帧速，就让显示器工作在多少刷新率。显然，要达到这样的效果，已经不是传统垂直同步或者自适应垂直同步那样，单靠软件方案能够解决的了。因为现在的显示器的刷新频率都是固定几档，比如50Hz、60Hz和75Hz。用户只能在这三档之间切换而不可能让显示器工作在40Hz或85Hz。必须从硬件层面上改进，让显示器能够支持G-Sync才行。配备G-Sync的显示器就相当于是无级变速。因此这个技术需要显示器厂商的支持，并非用什么显卡或驱动就能解决。
那么，在哪里可以买到呢？
英伟达在蒙特利尔的发布会上宣布G-Sync之后进行了现场对比演示。他们使用两套硬件规格几乎完全相同的系统，就连显示器刷新率都一样是144Hz，不过其中一台安装了G-Sync扩展卡。在演示中，用于对比的Demo帧速逐步下降，普通系统当显卡输出帧速和显示器刷新频率不同步，画面开始卡顿，而安装了G-Sync模块的系统则毫无压力。这段演示让业内外人士都对G-Sync充满了期待。对于开发者而言，即使低帧速下也可以加入更多画面特效，不再担心帧速不足60fps；对于玩家而言，让PC游戏像家用机那样到手就能玩，而不用去管视频参数和设置，也不会出现画面卡顿，多么美好的事情。不过这里还有一个问题目前暂时无法证实，G-Sync会不会使得FP S游戏中，帧速高的一方先看见对方？这就要等到G-Sync的产品真正上市之后才能得到答案。
目前，英伟达并没有公布详细的G-Sync技术资料，但已经拿出了体验G-Sync的解决方案：在今年上半年如果不出意外，华硕、明基、飞利浦以及优派等品牌的G-Sync显示器会上架销售。此外，你也可以购买G-Sync扩展卡手动改装显示器。可别认为什么显示器都能改装，目前仅支持华硕VG248QE。改装后的VG248QE可以在30～144Hz的刷新率之间无级变化。不过30Hz时一旦帧速跌破30fps，可能会出现画面闪烁问题。并且改装后的VG248QE价格将贵近千元。
从之前公布的图片来看，G-Sync基于Display Port接口，也许G-Sync需要通过该接口获取V-blank信号以便即时控制刷新率输出，但也不再支持同步输出音频。G-Sync扩展卡正面有一颗主控芯片和3颗256MB海力士内存，型号为h5tc2g63ffr。价格方面，据说不会超过100美元。
安装G-Sync扩展卡之后，VG248QE的参数对比。
专门针对电竞玩家的游戏利器华硕VG248QE，加入了G-Sync的VG248QE，在外观上与普通的VG248QE基本一样，不过加入了醒目的标识。
写在后
不管是不是商人追逐利益，有一点不能否认。追逐利益的同时，用户确实也得到了实惠，玩家的游戏体验在不断改善。在各种技术已经相当成熟的现在，谁能有一点点的创新，兴许就会掀起一场革命。显示器技术多年来并无太大突破，也很少有厂商在上面动脑筋。而G-Sync通过逆向思维，消除了此前各种垂直同步技术的弊端，让用户在显示器上获得佳的视觉体验。当G- Sync、高档GeForce显卡和低延迟输入设备搭配使用时，多人游戏的玩家还将获得极大的竞争优势。对电子竞技运动员来说，G-Sync也会是一次必须的升级。
