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# FPS 计算实现文档
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## 概述
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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。
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## 问题背景
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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。
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## 解决方案
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采用 **移动平均窗口法（Moving Average Window）** 来计算实时 FPS。
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### 核心算法
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1. **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）
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2. **维护循环缓冲区**：保存最近 N 帧的时间间隔数据
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3. **计算平均 FPS**：
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- 计算所有样本的平均帧时间
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- 转换为 FPS：`FPS = 1,000,000 / 平均帧时间（微秒）`
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### 算法优点
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- ✅ **平滑输出**：使用多帧平均，避免 FPS 值剧烈跳动
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- ✅ **实时响应**：样本窗口足够小（60帧），能快速反映性能变化
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- ✅ **精确度高**：使用微秒级时间戳，计算精度高
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- ✅ **低开销**：只需简单的加法和除法运算
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## 实现细节
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### 1. VulkanWidget 实现
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#### 添加成员变量（vulkanwidget.h）
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```cpp
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// FPS 计算
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QDateTime m_lastFrameTime; // 上一帧的时间戳
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double m_currentFps; // 当前计算出的 FPS 值
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std::vector<qint64> m_frameTimes; // 存储最近帧的时间间隔（微秒）
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static const int FPS_SAMPLE_COUNT = 60; // 样本数量：使用最近60帧
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```
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#### 初始化（vulkanwidget.cpp 构造函数）
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```cpp
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, m_lastFrameTime(QDateTime::currentDateTime())
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, m_currentFps(0.0)
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{
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// ...
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// Initialize FPS calculation
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m_frameTimes.reserve(FPS_SAMPLE_COUNT);
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}
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```
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#### FPS 计算逻辑（renderFrame() 函数）
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```cpp
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// Calculate FPS
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QDateTime currentTime = QDateTime::currentDateTime();
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qint64 frameTimeUs = m_lastFrameTime.msecsTo(currentTime) * 1000; // 转换为微秒
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m_lastFrameTime = currentTime;
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if (frameTimeUs > 0) {
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// 添加帧时间到循环缓冲区
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if (m_frameTimes.size() >= FPS_SAMPLE_COUNT) {
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m_frameTimes.erase(m_frameTimes.begin()); // 移除最旧的样本
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}
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m_frameTimes.push_back(frameTimeUs);
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// 计算平均 FPS
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if (!m_frameTimes.empty()) {
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qint64 totalTimeUs = 0;
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for (qint64 time : m_frameTimes) {
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totalTimeUs += time;
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}
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double avgFrameTimeUs = static_cast<double>(totalTimeUs) / m_frameTimes.size();
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m_currentFps = 1000000.0 / avgFrameTimeUs; // 微秒转 FPS
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}
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}
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```
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#### 传递 FPS 给渲染器
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```cpp
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m_renderer->recordCommandBuffer(commandBuffer, imageIndex, imageView,
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m_frameCount,
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static_cast<double>(elapsedTime),
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m_currentFps, // 传递实时 FPS
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m_rotationAngle,
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m_wavePhase,
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m_renderingEnabled,
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lockInfo.toStdString());
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```
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### 2. VulkanRenderer 实现
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#### 更新函数签名（vulkanrenderer.h）
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```cpp
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void recordCommandBuffer(VkCommandBuffer commandBuffer,
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uint32_t imageIndex,
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VkImageView imageView,
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int frameCount,
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double elapsedTime,
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double fps, // 新增参数
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double rotationAngle,
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double wavePhase,
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bool paintingEnabled,
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const std::string& lockInfo);
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```
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#### 使用 FPS 显示（vulkanrenderer.cpp）
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```cpp
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// 之前：硬编码
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std::string fpsStr = "FPS: ~60";
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// 现在：使用真实值
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std::string fpsStr = "FPS: " + std::to_string((int)fps);
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```
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### 3. CustomWidget 实现
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类似的实现方式，在 `paintEvent()` 中计算 FPS：
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```cpp
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// Calculate FPS
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QDateTime currentTime = QDateTime::currentDateTime();
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qint64 frameTimeUs = m_lastFrameTime.msecsTo(currentTime) * 1000;
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m_lastFrameTime = currentTime;
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if (frameTimeUs > 0) {
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if (m_frameTimes.size() >= FPS_SAMPLE_COUNT) {
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m_frameTimes.erase(m_frameTimes.begin());
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}
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m_frameTimes.push_back(frameTimeUs);
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if (!m_frameTimes.empty()) {
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qint64 totalTimeUs = 0;
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for (qint64 time : m_frameTimes) {
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totalTimeUs += time;
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}
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double avgFrameTimeUs = static_cast<double>(totalTimeUs) / m_frameTimes.size();
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m_currentFps = 1000000.0 / avgFrameTimeUs;
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}
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}
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```
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显示时使用真实值：
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```cpp
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QString stats = QString(
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"Frame Count: %1\n"
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"FPS: %2\n"
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"Rotation: %3°\n"
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"Running Time: %4s"
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).arg(m_frameCount)
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.arg(static_cast<int>(m_currentFps)) // 显示为整数
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.arg(static_cast<int>(m_rotationAngle))
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.arg(elapsed);
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## 性能考虑
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### 内存占用
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- 每个样本：8 字节（qint64）
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- 总内存：60 × 8 = 480 字节（可忽略不计）
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### CPU 开销
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- 每帧操作：
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- 1 次时间戳获取：~100 纳秒
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- 1 次数组操作（插入/删除）：O(n) = O(60)
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- 1 次求和计算：O(60)
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- 总开销：< 1 微秒（可忽略不计）
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### 优化建议
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如果需要进一步优化性能，可以考虑：
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1. **使用循环队列**：避免 `erase()` 操作
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```cpp
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std::array<qint64, FPS_SAMPLE_COUNT> m_frameTimes;
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size_t m_frameTimeIndex = 0;
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```
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2. **增量更新总和**：避免每次重新计算
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```cpp
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qint64 m_totalFrameTime = 0;
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// 更新时：
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m_totalFrameTime -= m_frameTimes[oldestIndex];
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m_totalFrameTime += newFrameTime;
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```
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3. **降低更新频率**：每 N 帧更新一次 FPS 显示
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## 使用方法
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### 获取 FPS 值
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```cpp
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// VulkanWidget
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double fps = vulkanWidget->getCurrentFps();
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// CustomWidget
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double fps = customWidget->getCurrentFps();
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```
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### 配置样本数量
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修改 `FPS_SAMPLE_COUNT` 常量：
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- **较小值（30）**：更快响应性能变化，但可能不够平滑
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- **较大值（120）**：更平滑的显示，但响应较慢
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- **推荐值（60）**：平衡响应速度和平滑度
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## 测试验证
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### 预期结果
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1. **正常运行时**：FPS 应接近 60（受 VSync 限制）
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2. **性能下降时**：FPS 会相应降低（如窗口最小化、系统负载高）
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3. **锁屏时**：FPS 应降为 0 或接近 0
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### 调试输出
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可以添加调试日志查看详细信息：
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```cpp
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qDebug() << "Frame time:" << frameTimeUs << "us, FPS:" << m_currentFps;
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```
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## 相关文件
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- `src/vulkanwidget.h` - VulkanWidget 头文件
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- `src/vulkanwidget.cpp` - VulkanWidget 实现
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- `src/vulkanrenderer.h` - VulkanRenderer 头文件
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- `src/vulkanrenderer.cpp` - VulkanRenderer 实现
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- `src/customwidget.h` - CustomWidget 头文件
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- `src/customwidget.cpp` - CustomWidget 实现
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## 总结
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通过移动平均窗口法，我们实现了：
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✅ **真实的 FPS 显示**：反映实际渲染性能
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✅ **平滑的数值变化**：避免抖动
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✅ **低性能开销**：对渲染性能影响可忽略
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✅ **易于扩展**：可以轻松调整样本数量和计算方式
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这个实现为性能监控和调优提供了重要的参考数据。 |