渲染

屏幕显示图像的原理

CRT显示器电子枪扫描

CRT的电子枪按上图，从上到下一行一行扫描，扫描到底部的时候代表一帧结束。为了把视频控制器与显示器的显示过程同步，显示器（硬件）会发送一系列的时钟信号。水平同步信号（HSync），根据这个信号扫描每一行。垂直同步信号（VSync），根据这个信号扫描下一帧。

协同方式

CPU，GPU和显示器会按照上图的流程协同工作。CPU计算好内容，CPU渲染结果给到帧缓冲器，视频控制器根据时钟信号从FrameBuffer中读取每一帧内容，经过数模转换给到显示器显示。

FrameBuffer只有一个的时候，帧的读取和刷新都有一定的性能问题。所以一般会增加FrameBuffer数量。CPU和GPU把下一帧的内容提前渲染好放到另一个FrameBuffer，GPU 会直接把视频控制器的指针指向该FrameBuffer，从而提高性能。

但引入了新问题，假如当前FrameBuffer的内容，显示器还没读取完毕，这时候切换FrameBuffer，就会渲染下一帧的内容，导致画面断层撕裂。为了解决这个问题，GPU引入了垂直同步机制（V-Sync），当开启垂直同步后，GPU会等待显示器的VSync信号发出，才会渲染下一帧内容和刷新FrameBuffer，使得画面更加流畅。

CoreAnimation Pipeline

在iOS平台，显示渲染的核心是CoreAnimation。Core Animation是依赖于OpenGL/Metal做GPU渲染，CoreGraphics做CPU渲染。

CoreAnimation会在Runloop的beforeWaiting和exit时机注册监听。当一个事件到来，比如触摸事件，导致界面发生变化，会进行可能的UI组建创建，布局计算，调整视图层级，调整视图属性等，这些变化会被CALayer捕捉到，并通过CATranscation提交到一个中间状态去。等待Runloop的通知发出后，通过IPC发送给RenderServer，解析视图层级树，生成绘制指令，再通过OpenGL或Metal驱动GPU进行渲染，渲染结果放到FrameBuffer。再由显示器发出的VSync信号进行新的一帧的显示。

知道了成像的基本流程，接下来看下这过程关键组件所做的工作（CPU，GPU）。

CPU

视图创建

属性更改调整

布局计算

图片解码

绘制

GPU

图形处理单元，负责对图像的处理，采集图片和形状，运行变换，应用纹理和混合，最终把它们输送到屏幕上。

其实这个过程也可以用CPU完成，GPU诞生之前就是这样做的。但是随着图像效果越来越复杂，CPU不堪重负，所以诞生了GPU。架构与CPU基本相似，也是包含逻控制单元，寄存器，逻辑运算单元，但GPU有更多的运算单元，更适合做高并发的图像操作，浮点运算，矩阵变换等。

一般应用程序是通过OpenGL/Metal，驱动GPU渲染。OpenGL只是一套规范，并不是API，而驱动实现了这套规范，所以一般是硬件生产商产出。

GPU的处理本质是矩阵变换，简单概括可以为两个步骤：1、把 3D 坐标转换为 2D 坐标；2、把 2D 坐标转变为实际的有颜色的像素。

顶点着色器：顶点数据是一系列顶点的集合。顶点着色器主要的目的是把 3D 坐标转为另一种 3D 坐标。

图元装配：根据顶点数据，作为输入，把所有的点装配成指定图元的形状

几何着色器：可能变换成其它形状的图元

光栅化：将几何信息转换成一个个的栅格组成的图像的过程。根据三角形顶点的位置，来确定需要多少个像素点才能构成这个三角形

片段着色器：计算一个像素的最终颜色，上色

Alpha测试和混合(Blending)：检测片段的对应的深度（和模板(Stencil)）值，用它们来判断这个像素是其它物体的前面还是后面，决定是否应该丢弃。也会检查alpha值并对物体进行混合(Blend)。

参考文献

iOS 保持界面流畅的技巧

LearnOpenGL

什么是光栅化