如何将游戏逻辑与显示分离？

Question

如何使显示帧率与游戏逻辑独立？这样游戏逻辑就可以以相同的速度运行，无论视频卡能够渲染多快。

- azaziel

Answer 1

我认为这个问题揭示了游戏引擎设计的一些误解。这是完全可以理解的，因为它们是非常复杂的东西，很难做到完美；）

你有一个正确的印象，就是你想要所谓的帧率独立性。但这并不仅仅是指渲染帧。

在单线程游戏引擎中，帧通常称为 Tick。每次 Tick 时，你会处理输入、处理游戏逻辑，并根据处理结果渲染一个帧。

你想要做的是能够以任何 FPS（每秒帧数）处理你的游戏逻辑，并且具有确定性结果。

以下情况会导致问题：

检查输入： - 输入为键：'W'，表示我们将玩家角色向前移动 10 单位：

playerPosition += 10;

现在，由于你每一帧都这样做，如果你以 30 FPS 运行，你将每秒移动 300 个单位。

但是如果你改为以 10 FPS 运行，你每秒只能移动 100 个单位。因此，你的游戏逻辑并不是帧率独立的。

幸运的是，解决这个问题并使你的游戏逻辑帧率独立是一个相当简单的任务。

首先，你需要一个计时器，它将计算每一帧渲染所需的时间。这个数字以秒为单位（因此每个 Tick 完成需要 0.001 秒）然后乘以你想要实现帧率独立性的任何内容。所以在这种情况下：

按住 'W' 键

playerPosition += 10 * frameTimeDelta;

(Delta 是“某事物的变化量”的花哨说法)

因此，在单个 Tick 中，你的玩家将移动 10 的某个分数，经过完整的一秒钟的 Tick 后，你将已经移动了全部的 10 个单位。

然而，在属性随时间而改变其变化速率（例如加速的车辆）的情况下，这种方法会失效。这可以通过使用更高级的积分器（例如“Verlet”）来解决。

多线程方法

如果您仍然对问题感兴趣（因为我没有回答它，但提出了替代方案），那么这里是答案。将游戏逻辑和渲染分离到不同的线程中。尽管它有缺点。足以使绝大多数游戏引擎仍然是单线程。

这并不意味着在所谓的单线程引擎中只运行一个线程。但所有重要的任务通常都在一个中央线程中。一些像碰撞检测之类的事情可能是多线程的，但通常Tick的Collision阶段会阻塞，直到所有线程都返回，引擎恢复到单个执行线程。

多线程呈现了整个非常庞大的问题类别，甚至包括一些性能问题，因为所有东西，甚至容器，都必须是线程安全的。而且游戏引擎本身就非常复杂，所以很少有必要增加多线程的复杂性。

固定时间步长方法

最后，正如另一个评论员所指出的，具有固定大小的时间步长，并控制您“步进”游戏逻辑的频率，也可以是处理此问题的一种非常有效的方法，具有许多好处。

为了完整起见，在此处提供链接，但另一个评论员也提供了链接：修正您的时间步长

- Adam

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请问您能否详细说明如何在多个设备（多人游戏）上实现时间同步？因为对于每个设备，单线程方法需要不同的时间...如果您有相关材料可供阅读，我将不胜感激。 - arenaq

这是一个非常非常困难的话题，我无法在这里开始回答。我建议你去谷歌搜索一下，那里有很多好的资源。 - Adam

Answer 2

Koen Witters撰写了一篇非常详细的文章, 讨论不同的游戏循环设置。

他涵盖了以下内容:

• 以恒定游戏速度为基础的FPS
• 以可变FPS为基础的游戏速度
• 最大FPS下的恒定游戏速度
• 与可变FPS无关的恒定游戏速度

（这些是从文章中提取的标题，按顺序列出。）

- Ryan Fox

Answer 3

你可以将游戏循环设计为以下形式：

int lastTime = GetCurrentTime();
while(1) {
    // how long is it since we last updated?
    int currentTime = GetCurrentTime();
    int dt = currentTime - lastTime;
    lastTime = currentTime;

    // now do the game logic
    Update(dt);

    // and you can render
    Draw();
}

然后您只需要编写您的Update()函数，考虑时间差异;例如，如果您有一个以某个速度v移动的对象，则每帧通过v * dt更新其位置。

- Jesse Beder

Answer 4

在flipcode上有一篇关于这个问题的优秀文章，我想找出来并呈现给你。这是一个精心设计的游戏循环：

1. 单线程
2. 在固定的游戏时钟下运行
3. 使用插值时钟尽可能快地显示图形

至少我认为是这样。:-)可惜这篇文章后面的讨论很难找到。也许wayback机器可以帮助解决这个问题。
http://www.flipcode.com/archives/Main_Loop_with_Fixed_Time_Steps.shtml

time0 = getTickCount();
do
{
  time1 = getTickCount();
  frameTime = 0;
  int numLoops = 0;

  while ((time1 - time0)  TICK_TIME && numLoops < MAX_LOOPS)
  {
    GameTickRun();
    time0 += TICK_TIME;
    frameTime += TICK_TIME;
    numLoops++;
// Could this be a good idea? We're not doing it, anyway.
//    time1 = getTickCount();
  }
  IndependentTickRun(frameTime);

  // If playing solo and game logic takes way too long, discard pending
time.
  if (!bNetworkGame && (time1 - time0)  TICK_TIME)
    time0 = time1 - TICK_TIME;

  if (canRender)
  {
    // Account for numLoops overflow causing percent  1.
    float percentWithinTick = Min(1.f, float(time1 - time0)/TICK_TIME);
    GameDrawWithInterpolation(percentWithinTick);
  }
}
while (!bGameDone);

- Frank Krueger

Answer 5

这并不涵盖更高级的程序抽象内容，例如状态机等。

通过调整帧时间间隔来控制运动和加速是可以的。但是，如何在此之后2.55秒触发声音或在18.25秒后更改游戏等级等问题呢？

这可以与经过时间累加器（计数器）绑定，但是如果您的帧速率低于状态脚本分辨率，即如果您的更高逻辑需要0.05秒粒度并且低于20fps，则这些时间可能会出错。

如果游戏逻辑在单独的“线程”上运行（在软件级别上，我更喜欢这种方式，或者在操作系统级别上），并具有固定的时间片，独立于fps，则可以保持确定性。

惩罚可能是，如果没有太多事情发生，您可能会浪费帧之间的cpu时间，但我认为这可能是值得的。

- Camilo

Answer 6

Enginuity有一个略微不同但很有趣的方法：任务池。

- Kronikarz

Answer 7

单线程的解决方案在显示图形之前进行时间延迟是可以的，但我认为渐进式的方法是在一个线程中运行游戏逻辑，在另一个线程中显示。

但你应该立即同步线程；这需要很长时间来实现，因此如果你的游戏不太大，单线程的解决方案就可以了。

此外，将GUI提取到单独的线程中似乎是一个很好的方法。你是否曾经在RTS游戏中看到“任务完成”弹出消息，而单位正在移动？那就是我所说的 :)

- realsugar

Answer 8

从我的经验（不多）来看，Jesse和Adam的答案应该能让你走上正确的道路。

如果你想了解更多关于这个如何工作的信息和见解，我发现TrueVision 3D的示例应用非常有用。

- Jarod Elliott