iOS影象顯示原理

作者：SuperBoy_Timmy

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析構圖顯示：

影象顯示各元件分工：

 

• ~ CPU：計算檢視frame，圖片解碼，繪製紋理交給GPU。

• ~ GPU：紋理混合，頂點變換，渲染到幀緩衝區。

• ~ 時鐘訊號：垂直同步訊號V-Sync / 水平同步訊號H-Sync。

• ~ iOS裝置雙緩衝機制：前/後幀緩衝區。

• ~ CRT：陰極電子槍發射電子，在陰極高電壓的作用下，電子由電子槍射向熒光屏，使熒光粉發光，將影象顯示在螢幕上。採用時鐘訊號控制。

• ~ LCD：（光學成像原理）在不加電壓的情況下，光線會沿著液晶分子的間隙前進旋轉90°，光可以透過。在 加入電壓後，光沿著液晶分子的間隙直線前進，被濾光板擋住。

• ~ 註：LCD的成像原理與CRT截然不同，每一個畫素的顏色在需要改變時才去改變電壓，但扔需要按照一定的掃清頻率向GPU獲取新的影象用於顯示。

 

影象撕裂原因分析

 

• 影象撕裂：當影片控制器還未讀取完成時，GPU將新的一幀內容提交到幀緩衝區並把兩個幀緩衝區進行更新後，影片控制器就會把新的一幀資料的下半段顯示到螢幕上，造成畫面撕裂的現象。

• 解決方案：垂直同步機制

• 弊端：GPU會等待顯示的V-Sync訊號發出後，才進行新的一幀渲染和快取區更新。能解決畫面撕裂現象，也增加了畫面流暢度，但需要消耗更多的計算資源，由此可能導致卡頓。

 

 

離屏渲染與光柵化

 

• 離屏渲染：CPU渲染及非GPU緩衝區的渲染統稱為離屏渲染。

• 離屏渲染的觸發：CoreGraphics的背景關係繪製，drawRect繪製，layer圓角/邊框/陰影/抗鋸齒/光柵化（shouldRasterize置為YES）等。

• 離屏渲染的檢測：Instruments的CoreAnimation工具動態監測。（使用方法：Color Offscreen –Rendered Yellow ：開啟後會把那些需要離屏渲染的圖層高亮成黃色，黃色圖層可能存在效能問題。）

• 光柵化簡介：隱式建立一個點陣圖，各種陰影遮罩等效果也會儲存到點陣圖中快取起來，從而減少渲染的頻度，把GPU的操作轉到CPU上，生成點陣圖快取，直接讀取呼叫。（註：對於經常變動的內容，不要開啟光柵化，防止效能浪費，如Cell的復用）

• 光柵化的檢測：Color Hits Green and Misses Red 開啟後，若shouldRasterize設定為YES，對應的渲染結果會快取，如果圖層是綠色，表示快取被覆用；如果是紅色，就表示快取被重覆建立，可能存在效能問題。

• GPU快取區渲染優勢：為影象顯示做了高度最佳化，速度較快。

 

卡頓原因分析

 

 

大體有三種原因：

 

1、UI渲染需要時間較長，無法按時提交結果。

2、一些需要密集計算的處理放在了主執行緒中執行，導致主執行緒被阻塞，無法渲染UI介面。

3、網路請求由於網路狀態的問題響應較慢，UI層由於沒有模型傳回無法渲染。

 

CPU資源消耗分析

 

1、物件建立：物件的建立會分配記憶體、調整屬性、甚至還有讀取檔案等操作，比較消耗CPU資源。儘量採取輕量級物件，儘量放到後臺執行緒處理，儘量推遲物件的建立時間。（如UIView / CALayer）

2、物件調整：frame、bounds、transform及檢視層次等屬性調整很耗費CPU資源。儘量減少不必要屬性的修改，儘量避免調整檢視層次、新增和移除檢視。

3、佈局計算：隨著檢視數量的增長，Autolayout帶來的CPU消耗會呈指數級增長，所以儘量提前算好佈局，在需要時一次性調整好對應屬性。

4、文字渲染：螢幕上能看到的所有文字內容控制元件，包括UIWebView，在底層都是透過CoreText排版、繪製為點陣圖顯示的。常見的文字控制元件，其排版與繪製都是在主執行緒進行的，顯示大量文字是，CPU壓力很大。對此解決方案唯一就是自定義文字控制元件，用CoreText對文字非同步繪製。（很麻煩，開發成本高）

5、圖片解碼：當用UIImage或CGImageSource建立圖片時，圖片資料並不會立刻解碼。圖片設定到UIImageView或CALayer.contents中去，並且CALayer被提交到GPU前，CGImage中的資料才會得到解碼。這一步是發生在主執行緒的，並且不可避免。SD_WebImage處理方式：在後臺執行緒先把圖片繪製到CGBitmapContext中，然後從Bitmap直接建立圖片。

6、影象繪製：影象的繪製通常是指用那些以CG開頭的方法把影象繪製到畫布中，然後從畫布建立圖片並顯示的一個過程。CoreGraphics方法是執行緒安全的，可以非同步繪製，主執行緒回呼。

 

GPU資源消耗分析

 

• 紋理混合：儘量減少短時間內大量圖片的顯示，盡可能將多張圖片合成一張進行顯示。

• 檢視混合：儘量減少檢視層次和數量，併在不透明的檢視裡標明opaque屬性以避免無用的Alpha通道合成。

• 圖形生成：儘量避免離屏渲染，儘量採用非同步繪製，儘量避免使用圓角、陰影、遮罩等屬性。必要時用靜態圖片實現展示效果，也可嘗試光柵化快取復用屬性。

Instruments 卡頓監測

Time Profiler ->Call Tree Options :

 

1、Separete By Thread :按執行緒劃分

2、Invert Call Tree ：逆向呼叫樹，方便檢視呼叫順序

3、Hide System Libraries：隱藏系統庫

 

Core Animation ->Debug Options：

 

1、Color Blended Layers：監測圖層混合情況，沒有混合的部分為綠色，混合最嚴重的部分是紅色，大量圖層混合會消耗GPU的時間。

2、Color Copied Images：監測圖片顏色格式，如果GPU不支援當前圖片的顏色格式，會將其交給CPU預先進行格式轉化，並且這張圖片被標記為藍色。（Apple 的 GPU值解析32bit的顏色格式，RGBA)

3、Color Immediately ：設定除錯顏色每幀更新。（一般不用）

4、Color Compositing-Fast-Path Blue ：對任何直接使用OpenGL繪製的圖層高亮。

5、Flash Updated Regions ：對重繪的內容高亮成黃色。（使用Core Graphics繪製的圖層）

6、Color Hits Green and Misses Red ：光柵化監測，前面已述。

7、Color Offscreen-Renderded Yellow ：離屏渲染監測，前面已述。

8、Color Non-Standard Surface Formats：Apple 檔案沒註解（一般不用）

 

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