VSync — คืออะไร หลักการทำงาน และการตั้งค่า

VSync คืออะไร

VSync (Vertical Synchronization) เป็นกลไกฮาร์ดแวร์-ซอฟต์แวร์ที่บังคับให้ GPU รอสัญญาณการบล็อกแนวตั้ง (VBlank) ก่อนที่จะแสดงเฟรมใหม่ หากไม่มี VSync GPU สามารถส่งเฟรมได้ทุกเวลา แม้ว่าหน้าจอกำลังวาดเฟรมปัจจุบันอยู่ ซึ่งทำให้เกิดภาพฉีกขาดตามเส้นแนวนอน

บนอุปกรณ์มือถือ VSync ถูกใช้งานที่ระดับไดรเวอร์กราฟิกและระบบปฏิบัติการ iOS ใช้การซิงค์ VBlank ผ่าน Metal ส่วน Android ใช้ผ่าน SurfaceFlinger และ BufferQueue เมื่อเปิดการซิงค์แนวตั้ง FPS ของแอปพลิเคชันจะไม่เกินอัตรารีเฟรชของหน้าจอ — 60, 90 หรือ 120 Hz ขึ้นอยู่กับรุ่นอุปกรณ์

คำว่า การซิงค์แนวตั้ง มาจากหลักการทำงานของจอภาพ CRT ซึ่งลำแสงอิเล็กตรอนวาดภาพทีละบรรทัดจากบนลงล่าง หลังจากเสร็จสิ้นเฟรม ลำแสงจะกลับไปที่มุมซ้ายบน — ช่วงเวลานี้เรียกว่าการบล็อกแนวตั้ง จอ LCD และ OLED สมัยใหม่ยังคงใช้คำนี้ แม้ว่าจะทำงานทางกายภาพแตกต่างกัน

การซิงค์แนวตั้งทำงานอย่างไร

GPU เรนเดอร์เฟรมใน back buffer ในขณะที่หน้าจออ่านจาก front buffer VSync รับประกันว่าการสลับบัฟเฟอร์เกิดขึ้นเฉพาะในช่วง VBlank — เมื่อหน้าจอแสดงเฟรมปัจจุบันเสร็จและพร้อมสำหรับเฟรมถัดไป กลไกนี้เรียกว่า การบัฟเฟอร์คู่พร้อมการซิงค์ VBlank

กลไกการบัฟเฟอร์คู่

การบัฟเฟอร์คู่ ใช้บัฟเฟอร์สองตัว: front buffer ที่แสดงบนหน้าจอ และ back buffer ที่ GPU เขียนเฟรมปัจจุบัน เมื่อเฟรมพร้อม บัฟเฟอร์จะถูกสลับ เมื่อเปิด VSync การสลับนี้จะถูกเลื่อนออกไปจนถึง VBlank ที่ใกล้ที่สุด GPU จะว่างหากเฟรมพร้อมก่อน VBlank ซึ่งลดประสิทธิภาพแต่กำจัดภาพฉีกขาด

// OpenGL — การเปิด VSync ผ่าน WGL_EXT_swap_control
HDC hdc = wglGetCurrentDC();
PFNWGLSWAPINTERVALEXTPROC wglSwapIntervalEXT =
    reinterpret_cast<PFNWGLSWAPINTERVALEXTPROC>(
        wglGetProcAddress("wglSwapIntervalEXT"));
wglSwapIntervalEXT(1); // 1 = VSync เปิด, 0 = ปิด

เวลารอ VBlank

VBlank เป็นช่วงสั้นๆ ระหว่างบรรทัดสุดท้ายของเฟรมปัจจุบันและบรรทัดแรกของเฟรมถัดไป ในช่วงเวลานี้ หน้าจอไม่อัปเดตพิกเซล และการสลับบัฟเฟอร์เกิดขึ้นโดยไม่มีสิ่งแปลกปลอม ระยะเวลา VBlank ขึ้นอยู่กับอัตรารีเฟรช: ที่ 60 Hz บนหน้าจอ 1080p VBlank ใช้เวลาประมาณ 1.4 ms หาก GPU ไม่เสร็จสิ้นการเรนเดอร์ก่อน VBlank เฟรมจะถูกข้ามและหน้าจอแสดงเฟรมก่อนหน้าอีกหนึ่งรอบ — ซึ่งรับรู้ได้ว่าเป็นการกระตุก

การบัฟเฟอร์สามชั้น แก้ปัญหา GPU ว่างโดยเพิ่มบัฟเฟอร์ที่สาม GPU สามารถเริ่มเรนเดอร์เฟรมถัดไปได้ทันทีแม้ว่า back buffer ตัวใดตัวหนึ่งกำลังรอ VBlank อยู่ ซึ่งเพิ่ม FPS เมื่อใช้ VSync แต่เพิ่มความหน่วงอีกหนึ่งเฟรม บนอุปกรณ์มือถือ การบัฟเฟอร์สามชั้นถูกใช้ในเอนจินเกมบางตัวและใน Vulkan ผ่านโหมด Mailbox

ปัญหาหลักหากไม่มี VSync

การปิด VSync ให้ FPS สูงสุดและอินพุตแล็กต่ำสุด แต่แลกกับสิ่งแปลกปลอมทางภาพ สำหรับเกมมือถือและแอปพลิเคชันที่มีแอนิเมชันราบรื่น การเลือกระหว่าง VSync และการปิดมันคือการประนีประนอมระหว่างความคมชัดของภาพและความตอบสนองของการควบคุม

ภาพฉีกขาด

ภาพฉีกขาด คือการแบ่งในแนวนอนที่ส่วนบนของหน้าจอแสดงเฟรมก่อนหน้าและส่วนล่างแสดงเฟรมถัดไปแล้ว สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อ GPU สลับบัฟเฟอร์ระหว่างการกวาดหน้าจอ บนอุปกรณ์มือถือ ภาพฉีกขาดจะสังเกตเห็นได้ชัดโดยเฉพาะเมื่อเลื่อนเร็วหรือในฉากที่เคลื่อนไหวด้วยอัตราเฟรมสูง จอ OLED ที่ตอบสนองทันทีทำให้ภาพฉีกขาดมีความคมชัดมากกว่าเมื่อเทียบกับ LCD

ความรุนแรงของภาพฉีกขาดขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของ FPS ต่ออัตรารีเฟรช ที่ 60 FPS บนหน้าจอ 60 Hz ภาพฉีกขาดปรากฏเป็นเส้นหยุดนิ่งเส้นเดียว ในขณะที่ 300 FPS บน 60 Hz ปรากฏเป็นรอยฉีกขาดเป็นคลื่นหลายจุดเคลื่อนที่จากบนลงล่าง ยิ่ง FPS สูงเมื่อเทียบกับอัตรารีเฟรช ยิ่งมีรอยฉีกขาดมากขึ้นและสังเกตเห็นได้ชัดเจนขึ้น

อินพุตแล็ก

อินพุตแล็ก เมื่อใช้ VSync คือความหน่วงระหว่างการกดปุ่มและการเห็นผลบนหน้าจอ การซิงค์แนวตั้งเพิ่มความหน่วงเฉลี่ยหนึ่งเฟรม (16.7 ms ที่ 60 Hz) และด้วยการบัฟเฟอร์สามชั้น — สูงสุดสองเฟรม สำหรับแอปพลิเคชันทั่วไป ความหน่วงนี้ไม่สามารถรับรู้ได้ แต่สำหรับเกมยิงปืน เกมต่อสู้ และเกมจังหวะ มันสำคัญมาก: มืออาชีพสังเกตเห็นความหน่วงแม้เพียง 8 ms

จากการวิจัยของ NVIDIA (2024) อินพุตแล็กเฉลี่ยใน CS:GO ที่ 60 FPS โดยไม่มี VSync คือ 22 ms และมี VSync — 39 ms ที่ 144 FPS ความแตกต่างลดลงเหลือ 14 เทียบกับ 18 ms ตามลำดับ บนแพลตฟอร์มมือถือ อินพุตแล็กของ VSync มีความสำคัญน้อยกว่าเนื่องจากอินพุตแบบสัมผัส ซึ่งความหน่วงฮาร์ดแวร์ของหน้าจอสัมผัส (10–30 ms) ปกปิดความหน่วงการซิงค์ที่เพิ่มขึ้น

การตั้งค่า VSync ในการพัฒนาแอปมือถือ

ในการพัฒนาแอปมือถือ VSync ถูกควบคุมผ่าน API กราฟิก เอนจินเกม และการตั้งค่าระบบปฏิบัติการ iOS ให้การควบคุมน้อยกว่า Android ให้มากกว่าผ่าน Vulkan และ OpenGL ES การเลือกโหมดขึ้นอยู่กับประเภทของแอปพลิเคชัน: เกม, UI หรือวิดีโอ

VSync ใน Unity และ Unreal Engine

Unity ใช้การตั้งค่า QualitySettings.vSyncCount: 0 — ปิด, 1 — VSync ทุก VBlank, 2 — ทุก VBlank ที่สอง (FPS ลดลงครึ่งหนึ่ง) ใน Unreal Engine VSync ถูกควบคุมผ่านคำสั่งคอนโซล r.VSync และ DefaultEngine.ini สำหรับบิลด์มือถือ แนะนำให้ปิด VSync ใน Unity และใช้ตัวจำกัด FPS แบบกำหนดเอง เนื่องจาก VSync ในตัวของ Android SurfaceFlinger สามารถสร้างความหน่วงที่ไม่สามารถคาดเดาได้

// Unity — การควบคุม VSync และ FPS
void Awake()
{
    // 0 = VSync ปิด, 1 = VSync เปิด
    QualitySettings.vSyncCount = 0;
    // ตัวจำกัด FPS แบบกำหนดเองแทน VSync
    Application.targetFrameRate = 60;
}

VSync ใน Vulkan และ Metal

Vulkan ให้การควบคุมอย่างสมบูรณ์ผ่าน VkSwapchainPresentInfo และ presentMode: VK_PRESENT_MODE_FIFO_KHR — VSync แบบคลาสสิก, VK_PRESENT_MODE_MAILBOX_KHR — บัฟเฟอร์สามชั้นโดยไม่รอ, VK_PRESENT_MODE_IMMEDIATE_KHR — ไม่มีการซิงค์ Metal ใน iOS ควบคุม VSync ผ่าน CAMetalLayer.displaySyncEnabled เริ่มตั้งแต่ iOS 14 Apple แนะนำให้ใช้ displaySyncEnabled = true เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับแอปพลิเคชันทั้งหมดยกเว้นเกมแนวอาร์เคด

การจำกัด FPS โดยไม่ใช้ VSync

ตัวจำกัด FPS เป็นทางเลือกแทน VSync ที่แอปพลิเคชันจำกัดอัตราเฟรมโดยทางโปรแกรมโดยไม่รอ VBlank วิธีการนี้ให้ความหน่วงที่คาดเดาได้และไม่ขึ้นอยู่กับอัตรารีเฟรชของหน้าจอ บน Android การจำกัด FPS ถูกใช้งานผ่าน Choreographer บน iOS — ผ่าน CADisplayLink พร้อมควบคุมเวลาส่งออกด้วยตนเอง

VSync และเทคโนโลยีการซิงค์สมัยใหม่

VSync แบบดั้งเดิม มีข้อเสียพื้นฐาน: มันผูกติดกับอัตรารีเฟรชคงที่ของหน้าจอ หาก GPU สร้าง 45 FPS บนหน้าจอ 60 Hz VSync ไม่สามารถแสดง 45 เฟรมได้ — มันแสดง 30 (ข้ามทุก VBlank ที่สอง) หรือสลับระหว่าง 60 และ 30 ด้วยช่วงเวลาที่ไม่สม่ำเสมอ สิ่งนี้สร้างการกระตุก ซึ่งทำลายประสบการณ์การเล่นเกมมากกว่าภาพฉีกขาด

การซิงค์แบบปรับตัว (FreeSync, G-Sync, Apple ProMotion) แก้ปัญหานี้โดยเปลี่ยนอัตรารีเฟรชของหน้าจอแบบไดนามิกตาม FPS ของแอปพลิเคชัน หากแอปพลิเคชันสร้าง 47 FPS หน้าจอจะเปลี่ยนเป็น 47 Hz — แต่ละเฟรมจะแสดงเพียงครั้งเดียว โดยไม่มีภาพฉีกขาดหรือกระตุก ProMotion ใน iOS เลือกความถี่จาก 24 ถึง 120 Hz โดยอัตโนมัติ สร้างสมดุลระหว่างความลื่นไหลและการใช้พลังงาน

บนอุปกรณ์มือถือ การซิงค์แบบปรับตัวกำลังกลายเป็นมาตรฐาน: iPad Pro (2017+) พร้อม ProMotion, เรือธง Android พร้อมจอ LTPO (Samsung Galaxy S23 Ultra, Google Pixel 8 Pro) รองรับอัตรารีเฟรชแบบไดนามิกตั้งแต่ 1 ถึง 120 Hz สำหรับนักพัฒนา นี่หมายความว่า VSync ในความหมายดั้งเดิมถูกแทนที่ด้วยการจัดการของระบบ — เพียงแค่ตั้งค่า targetFrameRate และระบบปฏิบัติการจะปรับอัตรารีเฟรชเพื่อสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความลื่นไหลและอายุการใช้งานแบตเตอรี่