VSync — mi ez, működési elv és beállítás

Mi az a VSync

VSync (Vertical Synchronization) — hardver-szoftver mechanizmus, amely arra kényszeríti a GPU-t, hogy várjon a függőleges kioltási jelre (VBlank) az új képkocka megjelenítése előtt. VSync nélkül a GPU bármikor küldhet képkockákat, még akkor is, amikor a kijelző éppen az aktuális képkockát rendereli, ami a kép vízszintes vonal mentén történő szakadásához vezet.

Mobileszközökön a VSync a grafikus illesztőprogram és az operációs rendszer szintjén van megvalósítva. Az iOS a VBlank szinkronizációt a Metalon keresztül használja, az Android pedig a SurfaceFlingeren és BufferQueue-on keresztül. Bekapcsolt függőleges szinkronizáció esetén az alkalmazás FPS-e nem haladhatja meg a kijelző frissítési gyakoriságát — 60, 90 vagy 120 Hz-et a készülék modelljétől függően.

A függőleges szinkronizáció kifejezés a CRT monitorok működési mechanizmusából származik, ahol az elektronsugár sorról sorra rajzolta a képet felülről lefelé. A képkocka befejezése után a sugár visszatért a bal felső sarokba — ezt a pillanatot függőleges kioltásnak nevezték. A modern LCD és OLED kijelzők megtartották ezt a kifejezést, bár fizikailag másképp működnek.

Hogyan működik a függőleges szinkronizáció

GPU a back bufferbe rendereli a képkockákat, a kijelző pedig a front bufferből olvas. A VSync garantálja, hogy a pufferek cseréje (swap) csak a VBlank pillanatában történik — amikor a kijelző befejezte az aktuális képkocka megjelenítését és készen áll a következőre. Ezt a mechanizmust kettős pufferelésnek nevezik VBlank-en keresztüli szinkronizációval.

A kettős pufferelés mechanizmusa

Kettős pufferelés két puffert használ: front buffert, amely a képernyőn jelenik meg, és back buffert, amelybe a GPU az aktuális képkockát írja. Amikor a képkocka elkészült, a pufferek helyet cserélnek. Bekapcsolt VSync esetén ez a csere a legközelebbi VBlank-ig késik. A GPU tétlen marad, ha a képkocka korábban készül el, mint a VBlank, ami csökkenti a teljesítményt, de megszünteti a tearing-et.

// OpenGL — VSync bekapcsolása WGL_EXT_swap_control segítségével
HDC hdc = wglGetCurrentDC();
PFNWGLSWAPINTERVALEXTPROC wglSwapIntervalEXT =
    reinterpret_cast<PFNWGLSWAPINTERVALEXTPROC>(
        wglGetProcAddress("wglSwapIntervalEXT"));
wglSwapIntervalEXT(1); // 1 = VSync bekapcsolva, 0 = kikapcsolva

VBlank várakozási idő

VBlank — rövid időintervallum az aktuális képkocka utolsó sora és a következő képkocka első sora között. Ebben a pillanatban a kijelző nem frissíti a pixeleket, és a pufferek cseréje artefaktumok nélkül történik. A VBlank időtartama a frissítési gyakoriságtól függ: 60 Hz-en egy 1080p-s kijelzőn a VBlank körülbelül 1.4 ms ideig tart. Ha a GPU nem tudja befejezni a renderelést a VBlank előtt, a képkocka kimarad, és a kijelző az előző képkockát mutatja még egy cikluson keresztül — ezt akadozásként (stutter) érzékeljük.

Háromszoros pufferelés megoldja a GPU tétlenségének problémáját egy harmadik puffer hozzáadásával. A GPU azonnal elkezdheti a következő képkocka renderelését, még akkor is, ha az egyik back buffer VBlank-re vár. Ez növeli az FPS-t VSync esetén, de egy plusz képkocka késleltetést ad hozzá. Mobileszközökön a háromszoros pufferelést néhány játékmotorban és a Vulkanban használják Mailbox módban.

Főbb problémák VSync nélkül

Kikapcsolt VSync maximális FPS-t és minimális input lag-ot biztosít, de vizuális artefaktumok árán. Mobil játékok és sima animációjú alkalmazások esetében a VSync és annak kikapcsolása közötti választás kompromisszum a kép élessége és a vezérlés reagálóképessége között.

Képszakadás (Screen Tearing)

Screen tearing — vízszintes szakadás, ahol a képernyő felső része az előző képkockát mutatja, az alsó része pedig már a következőt. Ez akkor történik, amikor a GPU a puffereket a kijelző letapogatási ciklusának közepén cseréli. Mobileszközökön a tearing különösen észrevehető gyors görgetéskor vagy dinamikus jelenetekben magas képkockaszám mellett. OLED kijelzők azonnali válaszidejükkel kontrasztosabbá teszik a tearing-et az LCD-hez képest.

A tearing intenzitása az FPS és a frissítési gyakoriság arányától függ. 60 FPS-nél egy 60 Hz-es képernyőn a tearing egy statikus vonalként jelenik meg, 300 FPS-nél 60 Hz-en pedig többszörös hullámzó szakadásként, amelyek felülről lefelé mozognak. Minél magasabb az FPS a frissítési gyakorisághoz képest, annál több szakadás és annál észrevehetőbbek.

Beviteli késleltetés (Input Lag)

Input lag VSync esetén — a gombnyomás és az eredmény képernyőn való megjelenése közötti késleltetés. A függőleges szinkronizáció átlagosan egy képkocka késleltetést ad hozzá (16.7 ms 60 Hz-en), háromszoros pufferelés esetén pedig akár két képkockát. Az alkalmi alkalmazásoknál ez a késleltetés észrevehetetlen, de lövöldözős játékoknál, verekedős játékoknál és ritmusjátékoknál kritikus: a profik még 8 ms késleltetést is észrevesznek.

A NVIDIA (2024) kutatása szerint az átlagos input lag a CS:GO-ban 60 FPS-nél VSync nélkül 22 ms, VSync-kel pedig 39 ms. 144 FPS-nél a különbség 14 vs 18 ms-ra csökken. Mobil platformokon a VSync input lag kevésbé kritikus az érintőképernyős bevitel miatt, ahol a touchscreen hardveres késleltetése (10–30 ms) elfedi a szinkronizáció többletkésleltetését.

VSync beállítása mobilfejlesztésben

A mobilfejlesztésben a VSync-et grafikus API-kon, játékmotorokon és az operációs rendszer rendszerbeállításain keresztül kezelik. Az iOS kevesebb kontrollt biztosít, az Android többet a Vulkan és OpenGL ES segítségével. A mód kiválasztása az alkalmazás típusától függ: játék, UI vagy videó.

VSync a Unityben és az Unreal Engine-ben

Unity a QualitySettings.vSyncCount beállítást használja: 0 — kikapcsolva, 1 — VSync minden VBlank-nél, 2 — minden másodiknál (FPS feleződik). Unreal Engine-ben a VSync-et az r.VSync konzolparancs és a DefaultEngine.ini kezeli. Mobil buildekhez ajánlott a VSync kikapcsolása a Unityben és saját FPS-korlátozó használata, mivel a beépített VSync az Android SurfaceFlingerben kiszámíthatatlan késleltetéseket okozhat.

// Unity — VSync és FPS kezelése
void Awake()
{
    // 0 = VSync kikapcsolva, 1 = VSync bekapcsolva
    QualitySettings.vSyncCount = 0;
    // Saját FPS-korlátozó VSync helyett
    Application.targetFrameRate = 60;
}

VSync a Vulkanban és a Metalban

Vulkan teljes kontrollt biztosít a VkSwapchainPresentInfo és presentMode segítségével: VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR — klasszikus VSync, VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR — háromszoros pufferelés várakozás nélkül, VK_PRESENT_MODE_IMMEDIATE_KHR — szinkronizáció nélkül. Metal iOS-ben a VSync-et a CAMetalLayer.displaySyncEnabled segítségével kezeli. iOS 14-től kezdve az Apple a displaySyncEnabled = true alapértelmezett használatát ajánlja minden alkalmazáshoz, kivéve az arkádvezérlésű játékokat.

FPS korlátozása VSync nélkül

FPS-korlátozó — alternatíva a VSync helyett, ahol az alkalmazás programozottan korlátozza a képkockasebességet, anélkül, hogy VBlank-re várna. Ez a megközelítés kiszámítható késleltetést biztosít, és nem függ a kijelző frissítési gyakoriságától. Androidon az FPS-korlátozás a Choreographer segítségével, iOS-en a CADisplayLink segítségével történik a megjelenítési idő kézi vezérlésével.

VSync és modern szinkronizációs technológiák

Hagyományos VSync alapvető hátránnyal rendelkezik: a kijelző rögzített frissítési gyakoriságához van kötve. Ha a GPU 45 FPS-t produkál egy 60 Hz-es képernyőn, a VSync nem tud 45 képkockát megjeleníteni — 30-at jelenít meg (minden második VBlank-et kihagyva) vagy 60 és 30 között váltakozik egyenlőtlen időközökkel. Ez akadozást (stutter) hoz létre, ami jobban rontja a játékélményt, mint a tearing.

Adaptive Sync (FreeSync, G-Sync, Apple ProMotion) megoldja ezt a problémát a kijelző frissítési gyakoriságának dinamikus megváltoztatásával az alkalmazás FPS-ének megfelelően. Ha az alkalmazás 47 FPS-t produkál, a kijelző 47 Hz-re vált — minden képkocka pontosan egyszer jelenik meg, szakadás és akadozás nélkül. A ProMotion iOS-ben automatikusan kiválasztja a 24 és 120 Hz közötti frekvenciát, egyensúlyozva a simaság és az energiafogyasztás között.

Mobileszközökön az Adaptive Sync szabvánnyá válik: iPad Pro (2017+) ProMotionnal, Android zászlóshajók LTPO kijelzőkkel (Samsung Galaxy S23 Ultra, Google Pixel 8 Pro) támogatják a dinamikus frissítési gyakoriságot 1 és 120 Hz között. A fejlesztő számára ez azt jelenti, hogy a VSync hagyományos értelemben rendszerkezeléssel helyettesítődik — elég beállítani a targetFrameRate-et, és az operációs rendszer maga állítja be a frissítési gyakoriságot a simaság és az akkumulátor-élettartam optimális egyensúlyához.