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FPS 计算实现文档

概述

本文档描述了如何在 ScreenLockDetector 项目中实现真实的 FPS（每秒帧数）计算功能。

问题背景

之前的实现中，FPS 显示为硬编码的 "FPS: ~60"，无法反映真实的渲染性能。

解决方案

采用 移动平均窗口法（Moving Average Window） 来计算实时 FPS。

核心算法

记录帧时间间隔：每渲染一帧，记录与上一帧的时间间隔（微秒）
维护循环缓冲区：保存最近 N 帧的时间间隔数据
计算平均 FPS：
- 计算所有样本的平均帧时间
- 转换为 FPS：FPS = 1,000,000 / 平均帧时间（微秒）

算法优点

✅ 平滑输出：使用多帧平均，避免 FPS 值剧烈跳动
✅ 实时响应：样本窗口足够小（60帧），能快速反映性能变化
✅ 精确度高：使用微秒级时间戳，计算精度高
✅ 低开销：只需简单的加法和除法运算

实现细节

1. VulkanWidget 实现

添加成员变量（vulkanwidget.h）

// FPS 计算
QDateTime m_lastFrameTime;                    // 上一帧的时间戳
double m_currentFps;                          // 当前计算出的 FPS 值
std::vector<qint64> m_frameTimes;             // 存储最近帧的时间间隔（微秒）
static const int FPS_SAMPLE_COUNT = 60;       // 样本数量：使用最近60帧

初始化（vulkanwidget.cpp 构造函数）

, m_lastFrameTime(QDateTime::currentDateTime())
, m_currentFps(0.0)
{
    // ...
    // Initialize FPS calculation
    m_frameTimes.reserve(FPS_SAMPLE_COUNT);
}

FPS 计算逻辑（renderFrame() 函数）

// Calculate FPS
QDateTime currentTime = QDateTime::currentDateTime();
qint64 frameTimeUs = m_lastFrameTime.msecsTo(currentTime) * 1000; // 转换为微秒
m_lastFrameTime = currentTime;

if (frameTimeUs > 0) {
    // 添加帧时间到循环缓冲区
    if (m_frameTimes.size() >= FPS_SAMPLE_COUNT) {
        m_frameTimes.erase(m_frameTimes.begin());  // 移除最旧的样本
    }
    m_frameTimes.push_back(frameTimeUs);
    
    // 计算平均 FPS
    if (!m_frameTimes.empty()) {
        qint64 totalTimeUs = 0;
        for (qint64 time : m_frameTimes) {
            totalTimeUs += time;
        }
        double avgFrameTimeUs = static_cast<double>(totalTimeUs) / m_frameTimes.size();
        m_currentFps = 1000000.0 / avgFrameTimeUs; // 微秒转 FPS
    }
}

传递 FPS 给渲染器

m_renderer->recordCommandBuffer(commandBuffer, imageIndex, imageView,
                                m_frameCount, 
                                static_cast<double>(elapsedTime),
                                m_currentFps,  // 传递实时 FPS
                                m_rotationAngle, 
                                m_wavePhase,
                                m_renderingEnabled, 
                                lockInfo.toStdString());

2. VulkanRenderer 实现

更新函数签名（vulkanrenderer.h）

void recordCommandBuffer(VkCommandBuffer commandBuffer, 
                        uint32_t imageIndex,
                        VkImageView imageView,
                        int frameCount,
                        double elapsedTime,
                        double fps,              // 新增参数
                        double rotationAngle,
                        double wavePhase,
                        bool paintingEnabled,
                        const std::string& lockInfo);

使用 FPS 显示（vulkanrenderer.cpp）

// 之前：硬编码
std::string fpsStr = "FPS: ~60";

// 现在：使用真实值
std::string fpsStr = "FPS: " + std::to_string((int)fps);

3. CustomWidget 实现

类似的实现方式，在 paintEvent() 中计算 FPS：

// Calculate FPS
QDateTime currentTime = QDateTime::currentDateTime();
qint64 frameTimeUs = m_lastFrameTime.msecsTo(currentTime) * 1000;
m_lastFrameTime = currentTime;

if (frameTimeUs > 0) {
    if (m_frameTimes.size() >= FPS_SAMPLE_COUNT) {
        m_frameTimes.erase(m_frameTimes.begin());
    }
    m_frameTimes.push_back(frameTimeUs);
    
    if (!m_frameTimes.empty()) {
        qint64 totalTimeUs = 0;
        for (qint64 time : m_frameTimes) {
            totalTimeUs += time;
        }
        double avgFrameTimeUs = static_cast<double>(totalTimeUs) / m_frameTimes.size();
        m_currentFps = 1000000.0 / avgFrameTimeUs;
    }
}

显示时使用真实值：

QString stats = QString(
    "Frame Count: %1\n"
    "FPS: %2\n"
    "Rotation: %3°\n"
    "Running Time: %4s"
).arg(m_frameCount)
 .arg(static_cast<int>(m_currentFps))  // 显示为整数
 .arg(static_cast<int>(m_rotationAngle))
 .arg(elapsed);

性能考虑

内存占用

每个样本：8 字节（qint64）
总内存：60 × 8 = 480 字节（可忽略不计）

CPU 开销

每帧操作：
- 1 次时间戳获取：~100 纳秒
- 1 次数组操作（插入/删除）：O(n) = O(60)
- 1 次求和计算：O(60)
- 总开销：< 1 微秒（可忽略不计）

优化建议

如果需要进一步优化性能，可以考虑：

使用循环队列：避免 erase() 操作

std::array<qint64, FPS_SAMPLE_COUNT> m_frameTimes;
size_t m_frameTimeIndex = 0;

增量更新总和：避免每次重新计算

qint64 m_totalFrameTime = 0;
// 更新时：
m_totalFrameTime -= m_frameTimes[oldestIndex];
m_totalFrameTime += newFrameTime;

降低更新频率：每 N 帧更新一次 FPS 显示

使用方法

获取 FPS 值

// VulkanWidget
double fps = vulkanWidget->getCurrentFps();

// CustomWidget
double fps = customWidget->getCurrentFps();

配置样本数量

修改 FPS_SAMPLE_COUNT 常量：

较小值（30）：更快响应性能变化，但可能不够平滑
较大值（120）：更平滑的显示，但响应较慢
推荐值（60）：平衡响应速度和平滑度

测试验证

预期结果

正常运行时：FPS 应接近 60（受 VSync 限制）
性能下降时：FPS 会相应降低（如窗口最小化、系统负载高）
锁屏时：FPS 应降为 0 或接近 0

调试输出

可以添加调试日志查看详细信息：

qDebug() << "Frame time:" << frameTimeUs << "us, FPS:" << m_currentFps;

总结

通过移动平均窗口法，我们实现了：

✅ 真实的 FPS 显示：反映实际渲染性能
✅ 平滑的数值变化：避免抖动
✅ 低性能开销：对渲染性能影响可忽略
✅ 易于扩展：可以轻松调整样本数量和计算方式

这个实现为性能监控和调优提供了重要的参考数据。

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