关于定帧游戏的平滑记录

定帧带来的问题

游戏的心跳,往往因当前一帧运算量的不同,而有不同的delta时间。但是定帧则要求每间隔固定时间执行一次运算。

我们对于定帧的常规实现之一如下:

// 逻辑定帧的时长
float logicFrameStep;
float timeCount;

// 显示帧的心跳函数
void Update(float deltaTime)
{
    timeCount += deltaTime;
    while (timeCount >= logicFrameStep)
    {
        // 逻辑心跳
        LogicTick();
        timeCount -= logicFrameStep;
    }
}

通过此种方式,可以实现逻辑定帧的实现。

但是,当游戏需要平滑显示而逻辑却需要定帧运算时,矛盾便产生了。由于逻辑帧定时长执行,而现实帧不定时长,所以在同一显示帧中可能会运行n个逻辑帧,且n个逻辑帧的总时长不一定等于该显示帧的时长。

逻辑定帧与显示帧的错位关系

虽然定帧的方式可以确保每一逻辑帧运算后,所有数据都是正确的(起码站在逻辑的角度是这样),但是根据上图可以发现,显示帧是会存在时间富余的(逻辑帧3在显示帧1内是没有执行完的)。

因此从显示的角度看,显示帧1只进行了2帧逻辑,而显示帧2则进行了4帧逻辑,虽然显示帧1与2之间的时间比为5:7。正是因为显示帧内 逻辑定帧的比值时间的比值 不同,从而导致了显示层的一个大问题 —— 抖动

显示平滑的处理

针对抖动,笔者曾尝试用数学的方式进行矫正,但是结果证明效果并不理想,运算量提升不说,效率也不太高(使用的是最小二乘法,但是它显然不太可以胜任我们的需求)。

笔者也曾使用变速的方法让移动平滑,即当前数据离目标数据越远,则以更高速度接近,否则接近速度降低。但是这样一来会产生与逻辑相比失真的问题,且速度的变动公式会很大程度影响体验,因而该方案也被我们的项目抛弃了(这种方案是我从《梦幻西游》的摄像机移动上学来的)。

后来笔者意识到自己把简单问题复杂化了。其实问题的核心就是数值要在指定事件内变化指定大小。既然抖动是当前帧的显示与逻辑不匹配造成的,那么让显示延迟个1-2帧,不就有可以修复这种抖动了吗,毕竟延迟显示1-2帧还不太会影响用户体验(我不信《守望先锋》里早这么1帧你就会变成神枪手)。

核心代码如下:

// 经过平滑后的结果值
public double Value;

// 插入新值
// duration代表逻辑帧时长
// target代表这一逻辑帧的目标值
public void Insert(float duration, double target)
{
    __waitSeconds += duration;
    __targetValue = target;
}

// 核心心跳
// 利用__waitSeconds计算当前显示帧对应的值Value
public void Tick(float delta)
{
    if (__waitSeconds <= delta)
    {
        Value = __targetValue;
        return;
    }

    double p = delta / __waitSeconds;
    Value = Value * (1 - p) + __targetValue * p;

    __waitSeconds -= delta;
}

每个显示帧调用Insert方法收集数据。而每个显示帧则调用Tick方法计算平滑后的结果值Value

结尾

最终经过测试,这种方法实现简单,利用1显示帧的缓冲达到了符合项目的平滑需求。所以记录下来,为自己曾经走过的弯路默哀。

希望下次碰到问题的时候,不会把自己带入太深的弯路 :P。

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