在 GLUT 中与可变 FPS 无关的恒定游戏速度？

Posted 2023-02-16

【中文标题】在 GLUT 中与可变 FPS 无关的恒定游戏速度？

【英文标题】：Constant game speed independent of variable FPS in OpenGL with GLUT?

【发布时间】：2011-03-18 19:50:57

【问题描述】：

我一直在阅读 Koen Witters detailed article 关于不同游戏循环解决方案的信息，但我在使用 GLUT 实现最后一个解决方案时遇到了一些问题，这是推荐的解决方案。

在阅读了几篇关于如何实现恒定游戏速度的文章、教程和其他人的代码后，我认为我目前实现的（我将在下面发布代码）就是 Koen Witters 所说的 游戏速度取决于可变 FPS，他的文章中的第二个。

首先，根据我的搜索经验，有几个人可能有知识可以帮助解决这个问题，但不知道 GLUT 是什么，我将尝试解释（请随时纠正我）我这个OpenGL工具包的问题的相关功能。如果您知道 GLUT 是什么以及如何使用它，请跳过此部分。

GLUT 工具包：

GLUT 是一个 OpenGL 工具包，可帮助完成 OpenGL 中的常见任务。 glutDisplayFunc(renderScene) 采用指向renderScene() 函数回调的指针，该回调将负责渲染所有内容。 renderScene()函数在回调注册后只会被调用一次。 glutTimerFunc(TIMER_MILLISECONDS, processAnimationTimer, 0) 在调用回调 processAnimationTimer() 之前需要经过的毫秒数。最后一个参数只是传递给计时器回调的值。 processAnimationTimer() 不会被每个 TIMER_MILLISECONDS 调用一次。 glutPostRedisplay() 函数请求 GLUT 渲染一个新帧，因此我们需要在每次更改场景中的某些内容时调用它。 glutIdleFunc(renderScene) 可用于注册对renderScene() 的回调（这不会使glutDisplayFunc() 无关紧要）但应避免使用此函数，因为在未接收到事件时会连续调用空闲回调，从而增加CPU 负载。 glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME) 函数返回自调用glutInit（或首次调用glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME)）以来的毫秒数。这就是我们使用 GLUT 的计时器。我知道高分辨率计时器有更好的替代方案，但我们暂时先使用这个。

我认为这是关于 GLUT 如何渲染帧的足够信息，因此不了解它的人也可以提出这个问题，以便在他们喜欢它时尝试提供帮助。

当前实施：

现在，我不确定我是否正确实施了 Koen 提出的第二个解决方案，游戏速度取决于可变 FPS。相关代码如下：

#define TICKS_PER_SECOND 30
#define MOVEMENT_SPEED 2.0f

const int TIMER_MILLISECONDS = 1000 / TICKS_PER_SECOND;

int previousTime;
int currentTime;
int elapsedTime;

void renderScene(void) 
    (...)

    // Setup the camera position and looking point
    SceneCamera.LookAt();

    // Do all drawing below...

    (...)


void processAnimationTimer(int value) 
    // setups the timer to be called again
    glutTimerFunc(TIMER_MILLISECONDS, processAnimationTimer, 0);

    // Get the time when the previous frame was rendered
    previousTime = currentTime;

    // Get the current time (in milliseconds) and calculate the elapsed time
    currentTime = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);
    elapsedTime = currentTime - previousTime;

    /* Multiply the camera direction vector by constant speed then by the
       elapsed time (in seconds) and then move the camera */
    SceneCamera.Move(cameraDirection * MOVEMENT_SPEED * (elapsedTime / 1000.0f));

    // Requests to render a new frame (this will call my renderScene() once)
    glutPostRedisplay();


void main(int argc, char **argv) 
    glutInit(&argc, argv);

    (...)

    glutDisplayFunc(renderScene);

    (...)

    // Setup the timer to be called one first time
    glutTimerFunc(TIMER_MILLISECONDS, processAnimationTimer, 0);
    // Read the current time since glutInit was called
    currentTime = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);

    glutMainLoop();

这个实现不正确。它的工作原理是帮助游戏速度保持恒定，取决于 FPS。因此，无论高/低帧速率如何，从 A 点移动到 B 点都需要相同的时间。但是，我相信我用这种方法限制了游戏帧率。 [编辑：只有在调用时间回调时才会渲染每一帧，这意味着帧率大约是每秒TICKS_PER_SECOND 帧。这感觉不对，你不应该限制你强大的硬件，这是错误的。不过我的理解是，我仍然需要计算elapsedTime。仅仅因为我告诉 GLUT 每隔TIMER_MILLISECONDS 调用一次计时器回调，并不意味着它总是会准时这样做。]

我不知道如何解决这个问题，老实说，我不知道 GLUT 中的游戏循环是什么，你知道，Koen 文章中的 while( game_is_running ) 循环。 [编辑：我的理解是 GLUT 是事件驱动的，当我调用 glutMainLoop()（永远不会返回）时，游戏循环就开始了，是吗？]

我想我可以用glutIdleFunc() 注册一个空闲回调并将其用作glutTimerFunc() 的替换，只在必要时渲染（而不是像往常一样一直渲染）但是当我用空回调测试它时（比如@ 987654345@)，它基本上什么也没做，只是黑屏，CPU 飙升到 25% 并一直保持在那里，直到我杀死游戏并恢复正常。所以我不认为这是要走的路。

使用glutTimerFunc() 绝对不是执行基于此的所有动作/动画的好方法，因为我将我的游戏限制为恒定的 FPS，而不是酷。还是我用错了，我的实现不对？

究竟如何才能在可变 FPS 的情况下保持恒定的游戏速度？更准确地说，我如何使用 GLUT 正确实现 Koen 的 Constant Game Speed with Maximum FPS 解决方案（他的文章中的第四个）？也许这对 GLUT 来说根本不可能？如果没有，我的替代方案是什么？ 使用 GLUT 解决这个问题（恒定的游戏速度）的最佳方法是什么？

[编辑]另一种方法：

我一直在尝试，这就是我现在能够实现的目标。我现在在renderScene() 中进行计算，而不是在定时函数上计算经过的时间（这限制了我的游戏的帧速率）。每当场景发生变化时，我都会调用glutPostRedisplay()（即：相机移动、一些对象动画等），这将调用renderScene()。例如，我可以使用此函数中的经过时间来移动我的相机。

我的代码现在变成了这样：

int previousTime;
int currentTime;
int elapsedTime;

void renderScene(void) 
    (...)

    // Setup the camera position and looking point
    SceneCamera.LookAt();

    // Do all drawing below...

    (...)


void renderScene(void) 
    (...)

    // Get the time when the previous frame was rendered
    previousTime = currentTime;

    // Get the current time (in milliseconds) and calculate the elapsed time
    currentTime = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);
    elapsedTime = currentTime - previousTime;

    /* Multiply the camera direction vector by constant speed then by the
       elapsed time (in seconds) and then move the camera */
    SceneCamera.Move(cameraDirection * MOVEMENT_SPEED * (elapsedTime / 1000.0f));

    // Setup the camera position and looking point
    SceneCamera.LookAt();

    // All drawing code goes inside this function
    drawCompleteScene();

    glutSwapBuffers();

    /* Redraw the frame ONLY if the user is moving the camera
       (similar code will be needed to redraw the frame for other events) */
    if(!IsTupleEmpty(cameraDirection)) 
        glutPostRedisplay();
    


void main(int argc, char **argv) 
    glutInit(&argc, argv);

    (...)

    glutDisplayFunc(renderScene);

    (...)

    currentTime = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);

    glutMainLoop();

结论，它正在工作，或者看起来是这样。如果我不移动相机，CPU 使用率很低，什么都不会被渲染（出于测试目的，我只有一个网格扩展到 4000.0f，而 zFar 设置为 1000.0f）。当我开始移动相机时，场景开始重绘。如果我一直按移动键，CPU使用率会增加；这是正常行为。当我停止移动时它会回落。

除非我遗漏了什么，否则这似乎是一个不错的方法。我确实在 iDevGames 上找到了this interesting article，这个实现可能受到那篇文章中描述的问题的影响。您对此有何看法？

请注意，我这样做只是为了好玩，我无意创建一些游戏来分发或类似的东西，至少在不久的将来不会。如果我这样做了，我可能会选择除了 GLUT 之外的其他东西。但是由于我使用的是 GLUT，除了 iDevGames 上描述的问题之外，你认为这个最新的实现对 GLUT 来说足够了吗？我现在唯一能想到的真正问题是，每次场景发生变化时我都需要继续调用glutPostRedisplay()，并一直调用它，直到没有新的东西可以重绘。我认为，为了更好的原因，为代码添加了一点复杂性。

你怎么看？

【问题讨论】：

可能应该迁移到 gamedev。

我认为这个问题“通常以某种方式与编程或软件开发有关”，但我同意游戏开发可能更适合这类问题。但是我相信那个网站的访问者仍然没有这个网站那么多。我也将其发布在那里，因为我无法将问题从一个站点转移到另一个站点。

【参考方案1】：

glut 旨在成为游戏循环。当您调用 glutMainLoop() 时，它会执行一个“for 循环”，除了 exit() 信号之外没有终止条件。你可以像现在这样实现你的程序，但是你需要做一些小的改动。首先，如果您想知道 FPS 是什么，您应该将该跟踪放入 renderScene() 函数中，而不是在您的更新函数中。自然，您的更新函数被调用的速度与计时器指定的一样快，并且您将 elapsedTime 视为帧之间时间的度量。通常，这是正确的，因为您调用 glutPostRedisplay 的速度相当慢，并且如果不需要，glut 不会尝试更新屏幕（如果场景没有更改，则无需重绘）。但是，还有其他时候会调用 renderScene。例如，如果您将某些东西拖过窗口。如果这样做，您会看到更高的 FPS（如果您在渲染函数中正确跟踪 FPS）。

【讨论】：

你是对的，但知道/打印 FPS 有点无关紧要。你说“你可以像现在这样实现你的程序，但你需要做一些小的改动。首先，(...)”。第二个呢？我还需要改变什么？

对不起，我不清楚。如果您的计时器运行速度快于最大帧速率，那么对 glutPostRedisplay() 的多次调用将聚集成对 renderScene() 的一次调用。我认为默认情况下，过剩会同步到刷新率：可能是 60 赫兹。因此，如果您的计时器运行得比这更快，您可以对世界做出比我们看到的更多的改变。

当然，如果你让你的定时器运行得足够快，你还不如使用 glutIdleFunc()。 因为它是空的，它会刺激你的处理器。您必须有一台 4 核机器，因此它占用了整个核心。如果你想让它玩得更好一点，你可以让代码产生，就像这里的答案之一一样：***.com/questions/4608232/… 问题是，你打算多久/多久改变一次场景状态。如果它只是响应用户输入，那么你根本不需要计时器。

其实可以，只是响应用户输入。但我只处于初始阶段，我可能需要更改场景以响应用户输入以外的事件，例如 NPC。但是，我目前正在尝试一些东西。我最好编辑上面的问题来解释我在做什么......

我将此标记为已接受，因为它为我当前的实现提供了很多见解。但如果有人感兴趣，我实际上正在使用我的第二种方法。目前，它似乎正在发挥作用。

【参考方案2】：

您可以使用glutIdleFunc，它会尽可能连续调用——类似于while(game_is_running) 循环。也就是说，无论您将在while 循环中放入什么逻辑，您都可以放入glutIdleFunc 的回调中。您可以通过自己跟踪刻度来避免使用glutTimerFunc，如您链接的文章中（使用glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME)）。

【讨论】：

我可能没有明确表示glutIdleFunc() 不是一个选项，但当我说 CPU 在调用空回调时负载飙升至 25% 时，我认为它是（有点）隐含的。难道没有别的办法了吗？或者使用 GLUT，如果我想要恒定的游戏速度，我注定要修复帧率？

【参考方案3】：

例如，有一个鼠标驱动的旋转矩阵，它以固定的帧速率更新，与渲染帧速率无关。在我的程序中，空格键切换基准测试模式，并确定布尔 fxFPS。

在拖动时松开鼠标按钮，您可以“扔”一个由该矩阵转换的对象。

如果 fxFPS 为真，则渲染帧速率被限制为动画帧速率；否则会重复绘制相同的帧以进行基准测试，即使没有足够的毫秒时间来触发任何动画。

如果您正在考虑减慢和加快帧的速度，则必须仔细考虑在每种情况下您是指渲染帧还是动画帧。在此示例中，简单动画的渲染限制与动画加速相结合，适用于任何可能在可能很慢的动画中丢帧的情况。

为了加速动画，循环重复执行旋转。与使用自适应旋转角度进行触发相比，这样的循环不会太慢；只是要小心你放入任何实际上需要更长执行时间的循环中的内容，FPS 越低。对于它所考虑的每个丢帧，此循环所花费的时间远少于额外的帧，因此它相当安全。

int xSt, ySt, xCr, yCr, msM = 0, msOld = 0;
bool dragging = false, spin = false, moving = false;
glm::mat4 mouseRot(1.0f), continRot(1.0f);
float twoOvHght; // Set in reshape()
glm::mat4 mouseRotate(bool slow) 
    glm::vec3 axis(twoOvHght * (yCr - ySt), twoOvHght * (xCr - xSt), 0); // Perpendicular to mouse motion
    float len = glm::length(axis);
    if (slow)  // Slow rotation; divide angle by mouse-delay in milliseconds; it is multiplied by frame delay to speed it up later
        int msP = msM - msOld;
        len /= (msP != 0 ? msP : 1);
    
    if (len != 0) axis = glm::normalize(axis); else axis = glm::vec3(0.0f, 0.0f, 1.0f);
    return rotate(axis, cosf(len), sinf(len));

void mouseMotion(int x, int y) 
    moving = (xCr != x) | (yCr != y);
    if (dragging & moving) 
        xSt = xCr; xCr = x; ySt = yCr; yCr = y; msOld = msM; msM = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);
        mouseRot = mouseRotate(false) * mouseRot;
    

void mouseButton(int button, int state, int x, int y) 
    if (button == 0) 
        if (state == 0) 
            dragging = true; moving = false; spin = false;
            xCr = x; yCr = y; msM = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);
            glutPostRedisplay();
         else 
            dragging = false; spin = moving;
            if (spin) continRot = mouseRotate(true);
        
    

后来……

bool fxFPS = false;
int T = 0, ms = 0;
const int fDel = 20;
void display() 
    ms = glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME);
    if (T <= ms)  T = ms + fDel;
        for (int lp = 0; lp < fDel; lp++) 
            orient = rotY * orient; orientCu = rotX * rotY * orientCu; // Auto-rotate two orientation quaternions
            if (spin) mouseRot = continRot * mouseRot; // Track rotation from thowing action by mouse
        
        orient1 = glm::mat4_cast(orient); orient2 = glm::mat4_cast(orientCu);
    
    // Top secret animation code that will make me rich goes here
    glutSwapBuffers();
    if (spin | dragging)  if (fxFPS) while (glutGet(GLUT_ELAPSED_TIME) < T); glutPostRedisplay();  // Fast, repeated updates of the screen

享受围绕轴扔东西的乐趣；我发现大多数人都是这样。请注意，fps 对界面或渲染没有任何影响。我已经尽量减少了除法的使用，所以比较应该是好的和准确的，时钟中的任何不准确都不会不必要地累积。

多人游戏的同步是另外 18 个对话，我会判断。