如何获取SharpDX/DirectX 11中帧绘制后GPU的等待时长

一、获取帧绘制完成到GPU送显的时长 #

核心思路 #

在无VSYNC、高帧率（1000FPS）场景下，帧渲染完成后会进入GPU显示队列，等待显示器下一次刷新周期。我们通过GPU时间戳查询获取GPU完成渲染的时间点，结合显示器刷新率计算帧实际显示的时间点，两者差值即为目标时长。

具体实现步骤 #

1. 初始化GPU时间戳查询
   在DirectX 11设备初始化阶段，创建时间戳查询对象：

   using SharpDX.Direct3D11;
   using SharpDX.DXGI;
   using SharpDX.Mathematics.Interop;
   
   // 全局变量
   private Query _timestampEndQuery;
   private QueryDescription _timestampQueryDesc;
   
   // 设备初始化时调用
   private void InitTimestampQueries(Device device)
   {
       _timestampQueryDesc = new QueryDescription
       {
           Type = QueryType.Timestamp,
           Flags = QueryFlags.None
       };
       _timestampEndQuery = new Query(device, _timestampQueryDesc);
   }
   

2. 记录GPU渲染完成时间
   在每帧所有渲染调用（Draw/Compute等）执行完毕后，插入结束时间戳查询：

   public void RenderFrame()
   {
       // 清除渲染目标、执行Draw/Compute调用等前置逻辑
       // ...你的渲染代码...
       
       // 记录GPU完成当前帧渲染的时间点
       DeviceContext.End(_timestampEndQuery);
       
       // 提交帧到交换链
       SwapChain.Present(0, PresentFlags.None);
   }
   

3. 计算渲染到显示的延迟
   在后续帧中检查查询结果，将GPU时间戳转换为毫秒，结合显示器刷新率计算显示时间：

   private long _gpuFrequency;
   private float _displayFrameDurationMs;
   
   // 初始化时获取GPU时钟频率和显示器刷新率
   private void InitTimingInfo(Device device, SwapChain swapChain)
   {
       // 获取GPU时钟频率（用于转换时间戳为实际时间）
       device.CheckTimestampFrequency(out _gpuFrequency);
       
       // 获取当前显示器的刷新率
       var output = swapChain.GetContainingOutput();
       var displayModeList = output.GetDisplayModeList(Format.R8G8B8A8_UNorm, DisplayModeEnumerationFlags.Interlaced);
       var currentMode = displayModeList[0]; // 匹配SwapChain实际使用的显示模式
       float refreshRate = currentMode.RefreshRate.Numerator / (float)currentMode.RefreshRate.Denominator;
       _displayFrameDurationMs = 1000f / refreshRate;
   }
   
   // 每帧更新时处理查询结果
   public void UpdateRenderToDisplayDelay()
   {
       if (DeviceContext.GetData(_timestampEndQuery, out long endTimestamp))
       {
           // 转换GPU时间戳为毫秒
           float gpuRenderCompleteMs = (float)(endTimestamp * 1000.0 / _gpuFrequency);
           
           // 获取当前CPU时间，计算到下一次显示器刷新的剩余时间
           QueryPerformanceCounter(out long cpuPresentTime);
           QueryPerformanceFrequency(out long cpuFreq);
           float cpuPresentMs = (float)(cpuPresentTime * 1000.0 / cpuFreq);
           float timeSinceLastRefresh = cpuPresentMs % _displayFrameDurationMs;
           float timeToDisplay = _displayFrameDurationMs - timeSinceLastRefresh;
           
           // 最终的渲染完成到送显时长
           float renderToDisplayDelay = timeToDisplay;
           // 可将该值输出或存入日志
       }
   }
   

二、获取输入操作到GPU输出结果的时长 #

核心思路 #

追踪输入事件发生的CPU时间点，将其与处理该输入的帧关联，最终计算该帧显示时间与输入时间的差值。

具体实现步骤 #

1. 记录输入事件时间戳
   在捕获输入事件（如键盘/鼠标消息）时，用QueryPerformanceCounter记录精确时间：

   private long _lastInputTimestamp;
   private bool _isInputPending;
   
   // 示例：鼠标点击事件处理
   private void OnMouseDown(object sender, MouseEventArgs e)
   {
       QueryPerformanceCounter(out _lastInputTimestamp);
       _isInputPending = true;
   }
   

2. 关联输入与对应帧
   在处理输入的帧中，将输入时间戳绑定到当前帧：

   private long _inputTimestampForCurrentFrame;
   
   public void RenderFrame()
   {
       if (_isInputPending)
       {
           _inputTimestampForCurrentFrame = _lastInputTimestamp;
           _isInputPending = false;
           // 执行输入对应的业务逻辑（如角色移动、触发交互）
           // ...你的输入处理代码...
       }
       
       // 执行渲染逻辑、插入时间戳查询、提交帧
       // ...同之前的渲染代码...
   }
   

3. 计算输入到输出的延迟
   在获取到该帧的GPU完成时间和显示时间后，计算差值：

   public void UpdateInputToOutputDelay()
   {
       if (DeviceContext.GetData(_timestampEndQuery, out long endTimestamp))
       {
           QueryPerformanceFrequency(out long cpuFreq);
           
           // 转换输入时间为毫秒
           float inputTimeMs = (float)(_inputTimestampForCurrentFrame * 1000.0 / cpuFreq);
           
           // 计算当前帧的显示时间
           QueryPerformanceCounter(out long cpuPresentTime);
           float cpuPresentMs = (float)(cpuPresentTime * 1000.0 / cpuFreq);
           float timeSinceLastRefresh = cpuPresentMs % _displayFrameDurationMs;
           float frameDisplayTimeMs = cpuPresentMs + (_displayFrameDurationMs - timeSinceLastRefresh);
           
           // 输入到输出的时长
           float inputToOutputDelay = frameDisplayTimeMs - inputTimeMs;
           // 可将该值输出或存入日志
       }
   }
   

注意事项 #

• 异步查询处理：GPU时间戳查询是异步的，需在后续帧中检查是否完成，不能在当前帧直接获取结果。
• 显示模式匹配：确保获取的显示模式与SwapChain的格式、分辨率一致，避免刷新率计算错误。
• 资源清理：程序退出时需释放Query对象，避免内存泄漏。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Andymanic