Direct3D11学习：（四）计时和动画

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一、概述

接触过游戏开发的人都知道，在游戏中，计时器是一个非常重要的工具，用来精确地控制游戏帧数和动画的播放。要正确实现动画效果，我们就必须记录时间，尤其是要精确测量动画帧之间的时间间隔。当帧速率高时，帧之间的时间间隔就会很短；所以，我们需要一个高精度的游戏计时器。

在我们D3D11的学习过程中，会经常用到计时器，因此设计一个具备基本功能的方便使用的计时器类很有必要。我们现在使用一个篇幅来介绍一个简单游戏计时器的实现。

二、计时和动画

2.1 系统高精度计时器

我们使用系统高精度计时器来实现时间的精确测量。为了使用用于查询系统高精度计时器的Win32函数，我们必须在代码中添加包含语句“#include<windows.h>”。

高精度计时器采用的时间单位称为计数（count）。我们使用QueryPerformanceCounter函数来获取以计数测量的当前时间值：

__int64 currTime;
QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&currTime);

注意，该函数通过它的参数返回当前时间值，该参数是一个64位整数。我们使用QueryPerformanceFrequency函数来获取高精度计时器的频率（每秒的计数次数）：

__int64 countsPerSec;
QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER*)&countsPerSec);

而每次计数的时间长度等于频率的倒数（这个值很小，它只是百分之几秒或者千分之几秒）：

mSecondsPerCount = 1.0 / (double)countsPerSec;

这样，要把一个时间读数valueInCounts转换为秒，我们只需要将它乘以转换因子 mSecondsPerCount：

valueInSecs = valueInCounts * mSecondsPerCount;

由QueryPerformanceCounter函数返回的值本身不是非常有用。我们使用QueryPerformanceCounter函数的主要目的是为了获取两次调用之间的时间差——在执行一段代码之前记下当前时间，在该段代码结束之后再获取一次当前时间，然后计算两者之间的差值。也就是，我们总是查看两个时间戳之间的相对差，而不是由系统高精度计时器返回的实际值。下面的代码更好地说明了这一概念：

__int64 A = 0;
QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&A);
/* Do work */
__int64 B = 0;
QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&B);

这样我们就可以知道执行这段代码所要花费的计数时间为（B−A），或者以秒表示的时间为（B−A）*mSecondsPerCount。

2.2 游戏计时器类

下面是游戏计时器类的代码示例：

class GameTimer
{
public:
	GameTimer();

	float TotalTime()const; // 单位为秒
	float DeltaTime()const;	// 单位为秒

	void Reset();	// 消息循环前调用
	void Start();	// 取消暂停时调用
	void Stop();	// 暂停时调用
	void Tick();	// 每帧调用

private:
	double m_secondsPerCount;
	double m_deltaTime;

	__int64 m_baseTime;
	__int64 m_pausedTime;
	__int64 m_stopTime;
	__int64 m_prevTime;
	__int64 m_currTime;

	bool m_stopped;
};

后面几节中，我们将讨论游戏计时器的实现。

2.3 查询高精度计时器的频率

我们在构造函数中来查询系统高精度计时器的频率。代码如下：

GameTimer::GameTimer()
	: m_secondsPerCount(0.0)
	, m_deltaTime(-1.0)
	, m_baseTime(0)
	, m_pausedTime(0)
	, m_prevTime(0)
	, m_currTime(0)
	, m_stopped(false)
{
	__int64 countsPerSec;
	QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER*)&countsPerSec);
	m_secondsPerCount = 1.0 / (double)countsPerSec;
}

如上代码中，获取了系统高精度计时器在每秒钟的计时次数countsPerSec，由此，可以得出每两次计时所用的时间（秒）m_secondsPerCount。

2.4 帧之间的时间间隔

当渲染动画帧时，我们必须知道帧之间的时间间隔，以使我们根据逝去的时间长度来更新游戏中的物体。我们可以采用以下步骤来计算帧之间的时间间隔：

　　时间间隔deltaTime = 当前帧的时间值time1 - 前一帧的时间值time2

对于实时渲染来说，我们至少要达到每秒30帧的频率才能得到比较平滑的动画效果（我们一般可以达到更高的频率）；所以时间间隔deltaTime通常是一个非常小的值。

GameTimer::Tick函数中示范了间隔时间deltaTime的计算过程：

void GameTimer::Tick()
{
	if( m_stopped )
	{
		m_deltaTime = 0.0;
		return;
	}

	__int64 currTime;
	QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&currTime);
	m_currTime = currTime;

	// 当前帧和上一帧之间的时间差
	m_deltaTime = (m_currTime - m_prevTime)*m_secondsPerCount;

	// 为计算下一帧做准备
	m_prevTime = m_currTime;

	// 确保不为负值。DXSDK中的CDXUTTimer提到：如果处理器进入了节电模式
	// 或切换到另一个处理器，m_deltaTime会变为负值。
	if(m_deltaTime < 0.0)
	{
		m_deltaTime = 0.0;
	}
}

Tick函数在应用程序消息循环中调用，代码如下：

int D3D11App::Run()
{
	MSG msg = {0};

	m_timer.Reset();

	while(msg.message != WM_QUIT)
	{
		// 如果接收到Window消息，则处理这些消息
		if(PeekMessage( &msg, 0, 0, 0, PM_REMOVE ))
		{
            TranslateMessage( &msg );
            DispatchMessage( &msg );
		}
		// 否则，则运行动画/游戏
		else
        {
			m_timer.Tick();

			if( !m_appPaused )
			{
				CalculateFrameStats();
				UpdateScene(m_timer.DeltaTime());
				DrawScene();
			}
			else
			{
				Sleep(100);
			}
        }
    }

	return (int)msg.wParam;
}

通过这一方式，每帧都会计算出一个deltaTime并将它传送给UpdateScene方法，根据当前帧与前一帧之间的时间间隔来更新场景。

注意，在游戏刚开始时，对于第一帧来说，没有之前的帧了，也就是说没有前面的时间戳。m_prevTime必须在消息循环开始之前初始化。上面消息循环中调用的Reset函数作用就是将m_prevTime被初始化为当前时间。下面是Reset方法的实现代码：

void GameTimer::Reset()
{
	__int64 currTime;
	QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER*)&currTime);

	m_baseTime = currTime;
	m_prevTime = currTime;
	m_stopTime = 0;
	m_stopped  = false;
}

2.5 游戏时间

游戏计时器类的成员函数GameTimer::TotalTime()介绍一下。

功能是获取自从调用Reset之后经过的时间总量，其中不包括暂停时间（即从应用程序开始运行时起经过的时间总量）。我们将这一时间称为游戏时间。游戏时间的用途有两种：限时游戏和通过时间函数来驱动动画执行。

在这里完整代码代码就不贴出了，有兴趣的朋友可以点击此处下载Demo源码，Demo源码是2_D3DTimingAndAnimation文件。

三、结语

我们演示了一个游戏计时器GameTimer用于计算应用程序开始后的总时间和两帧之间的时间；在游戏中，你也可以创建额外的实例作为通用的秒表使用。

一个简单高精度计时器的实现就完成了。我们在之后的学习中，就可以直接使用这个计时器类了。