游戏循环及实时模拟

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游戏是实时的，动态的，互动的计算机模拟。

渲染循环

要在屏幕上快速连续地显示一连串静止影像，显然需要一个循环。在实时渲染应用中，此循环又称为渲染循环（render loop）。

while (!quit) {
    // 基于输入或者预设更新摄像机变换
    updateCamera();

    // 更新场景中所有动态元素的位置，定向及其他相关视觉状态
    updateSceneElements();

    // 把静止的场景渲染至屏幕外的帧缓冲（“背景缓冲”）
    renderScene();

    // 交换背景缓冲和前景缓冲
    swapBuffers();
}

游戏循环

游戏由许多互动的子系统构成，包括输入输出设备，渲染，动画，碰撞检测及决议，可选的刚体动力学模拟，多玩家网络，音频等。在游戏运行时，多数游戏的子引擎系统都要周期性地提供服务。这些子系统所需的服务频率各有不同。

最简单的方法是——采用单一的循环更新所有的子系统。这种循环通常称为游戏循环，因为它是整个游戏的主循环，更新引擎中的所有子系统。

常见循环架构风格

  • 回调驱动框架
  • 时间驱动框架

抽象时间线

时间线是连续的一维轴，其原点\((t = 0)\)可以设置为系统中其他时间线的任何相对位置。

真实时间

直接使用 CPU 的高分辨率计时寄存器来量度时间，这种时间在所谓的真实时间线上。

游戏时间

我们可以为解决问题定义许多所需的时间线。例如游戏时间线，此时间线在技术上独立于真实时间。若希望暂停游戏，就可以简单地临时停止对游戏时间的更新。若要把游戏变成慢动作，可以把游戏时钟更新的慢于实时时钟。

局部及全局时间线

局部时间线能按原来制作或录制片段的时间量度播放时的进站时间。这些播放的速率可以有多重效果，比如加速，减慢，或者反向播放。所有这些效果都可以视觉化为局部和全局时间线之间的映射。

测量及处理时间

  • 帧率（frame rate）：一连串三维帧以多快的速度想观众展示。
  • 赫兹（Hertz）：帧率的单位，即每秒的周期数量。
  • 每秒帧数（FPS，frame per second）：等于赫兹，在游戏和电影里使用比较多。
  • 帧时间（frame time）：两帧之间经过的时间。也称为时间增量 \(\Delta t\)。

游戏循环中帧时间的使用例子如下。

// 开始时间设置为理想的帧时间（30 FPS）
F32 defaultDt = 1.0f / 30.0f;
F32 dtSeconds = defaultDt

// 在循环开始前先读取当前时间
U64 tBegin = readHiResTimer();

while (true) {
    runOneIterationOfGameLoop(dtSeconds);

    // 再读取当前时间，计算增量
    U64 tEnd = readHiResTimer();
    dtSeconds = (F32)(tEnd - tBegin) / (F32)getHiRestTimerFrequency();
    
    // 如果 dt 过大，一定是从断点中回复过来，那可以重置 dt
    if (dt > defaultDt) {
        dt = defaultDt;
    }
    
    // 把 tEnd 用作下一帧新的 tBegin
    tBegin = tEnd;
}