【程式】遊戲程式基本架構

寫篇新作製作進度以外的文章，如果對遊戲引擎內部如何運作有興趣，可以看看。

顯示晶片與Direct3D、OpenGL當然也跟遊戲程式有關，但寫在這篇會很長，有空再另外寫一篇介紹。

2020/12/06：增加G-Sync和FreeSync的簡略說明。

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以前寫過基本視窗程式介紹，可以看出有GUI的程式是怎麼運作的。
如何建一個視窗—Windows API篇
如何建一個視窗—X Window篇

初始化之後進入一個迴圈，程式會在一個地方進入等待狀態，等有輸入的時候(如移動視窗、按鍵盤、動滑鼠)才進入下一步做事，人沒操作的時候一般是停著不動的。
office、繪圖軟體、瀏覽器等工具軟體是這樣運作的。


遊戲程式和這些軟體有個重要差異：即使人沒在操作，仍然有動態和聲音在跑。
所以不能讓程式停在一個地方等著，即使沒有輸入，也要不斷執行「取得輸入→更新邏輯→更新畫面」的迴圈。


既然是個不斷在跑的迴圈，假如把程式寫成這樣會如何？

while(isRunning){   pollInput(); //取得輸入   //………… (處理遊戲邏輯)   nextFrame(); //更新畫面 }

效能好的電腦能比較快完成工作，光這樣寫在每台電腦上跑得不一樣快。想想看ACT和STG的敵人，在有的電腦上動作慢，有的電腦上動作快，有時候快到人無法反應，這樣遊戲要怎麼玩？

所以遊戲程式還有一件事要做：讓程式以穩定速率運行。


每秒跑幾次上圖的迴圈稱為frames per second，簡稱FPS。
一般是配合螢幕的更新率做成60FPS，有些對流暢度要求不高的遊戲會使用30或20。
如果因為計算量太大、電腦效能不夠強、或有阻塞式IO，不能在1/60秒內把工作做完，就會看到畫面短暫停頓，這稱為lag。

遊戲程式有很多計算量大的工作，像是物理計算和繪製畫面，而且每秒要做這些步驟20、30或60次，所以遊戲比其他種類的程式更重視效能：寫程式很講究如何提升計算速率，玩遊戲也對CPU、記憶體和顯卡的性能有要求。

控制時間要用到作業系統API的計時器和sleep功能，實際程式會這樣寫

while(isRunning){   //在主要工作之前取得目前時間   ULONGLONG prevTime;   QueryUnbiasedInterruptTime(&prevTime);   pollInput(); //取得輸入   //………… (處理遊戲邏輯)   nextFrame(); //更新畫面   //將目前時間與前一次取得的時間相減，求出經過的時間   ULONGLONG nowTime;   QueryUnbiasedInterruptTime(&nowTime);   //QueryUnbiasedInterruptTime單位是100ns，除以10000換算成ms   int elapsedTime=(nowTime-prevTime)/10000;   //暫停一段時間   //16約等於1000/60   //elapsedTime有可能>16，要避免給Sleep()的值是負數   Sleep(__max(16-elapsedTime, 0)); }

上面是Windows API的範例，其他平台要用不同的系統函式控制時間。

除了計時器以外，還有一種定時方法是與螢幕更新同步，即vsync，下面會介紹。

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此外介紹兩個遊戲程式裡的概念。

—Double Buffer—

現實中將兩張紙分別畫上角色和背景再重疊，上層那張紙移動時，下層會自動露出來。

不過電腦裡的世界並沒有「兩張紙」的存在，電腦記錄圖像的方式相當於只有一張紙，在上面重覆畫物體，後畫的會蓋掉先前畫的。

(那些十六進位數字是ARGB值)

所以電腦裡想做角色移動的效果，不能像現實中那樣移動紙，而必須把畫面清除，重新把物體一件一件畫上去。
(很多遊戲引擎可以用設x,y,z坐標的方式移動物體，不用手動下畫圖的指令，那是引擎內部把畫圖的工作做掉了)


直接畫在螢幕上會發生一個問題：清除畫面後有一個瞬間畫面是空白的，畫面會閃爍。

這時要用一個技巧：double buffer
在記憶體裡建立另一張點陣圖，先在此處把整個畫面都畫好再貼到螢幕上，這樣才不會閃爍。


不過看一下市面上的遊戲引擎，並沒有要求使用者在算完邏輯以後，呼叫一個「把buffer複製到螢幕上」的指令，因為這是所有遊戲程式都要做的事，遊戲引擎都會在內部處理掉。不過知道一下有double buffer的存在比較好。

但如果想用遊戲引擎以外的GUI函式庫做動畫(如Windows API、Java Swing)，就要自己建立一個點陣圖物件做為double buffer。

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—Vsync—

顯示記憶體裡的資料有變化時，螢幕其實不會立刻把它秀出來，而是每隔一段時間讀取顯示記憶體的資料更新一次，大部分螢幕是每秒更新60次。
上面說到另一種定時方法是vsync：讓程式暫停，等到下一次螢幕更新才繼續執行，這樣程式就自然以60FPS執行，不需要計時器定時。


D3D和OpenGL有提供功能，呼叫一個函式就可以自動偵測螢幕更新的時間並等待。

//D3D11 //swapChain型態為IDXGISwapChain* //第一參數填1代表要用vsync swapChain->Present(1, 0);

//OpenGL, Windows //先用這個函式設定 wglSwapIntervalEXT(1); //之後swap buffer時就會使用vsync SwapBuffers(hdc);

//OpenGL, X Window //先用這兩個函式設定 //哪個函式有效每台電腦不一樣，兩個都呼叫比較保險 glXSwapIntervalSGI(1); glXSwapIntervalMESA(1); //之後swap buffer時就會使用vsync glXSwapBuffers(display, window);

vsync(vertical synchronization)字面意思是「垂直同步」，名稱來自以前的CRT(陰極射線管)顯示器。CRT的顯示方式是將電子束射向螢幕，從上方開始第一列、第二列、第三列往下逐列掃瞄，同步的方法是等待這個垂直方向的更新。
現在的液晶顯示器已經不是用這種方法更新畫面，但vsync的名稱還是繼續使用。

螢幕做成更新率60Hz是因為這是人眼能辨識的極限，超過這個頻率人眼就分辨不出是60、80、還是120了，因此個人認為把程式寫成一秒更新畫面超過60次用處也不大，不如把效能省下來用在其他地方。
較高頻率的物理計算有時候有用處，可以做成物理計算120Hz，畫面60Hz，即兩次物理計算才畫一次物體。

至於nVidia的G-Sync和AMD的FreeSync技術，從資料看來是反過來讓螢幕跟隨程式，呼叫以上函式時不暫停，而是螢幕等程式呼叫函式才更新。
顯示卡和螢幕都要有支援才能使用，筆者手邊沒有支援的設備，但有找到一篇文章介紹D3D怎麼用FreeSync，有設備又有機會寫D3D或OpenGL程式的話自己試試。
https://asawicki.info/news_1704_programming_freesync_2_support_in_direct3d.html

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關於插圖

這個角度繪製難度很高。

不過想進步就要挑戰各種難關，一直練習相同的事功力是不會提升的。

這個角色在二代會登場，這一作除了程式語言以外還有其他角色登場。


最近工作比較忙，更新慢了一些。
但依照先前的經驗，辭職在家裡做進度並不會比較快，有工作反而比較不會偷懶。