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：
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__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）：
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__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）：
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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：
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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：
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__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：
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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：
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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：
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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：
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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：
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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。
1 #include "../Common/D3D11App.h" 2 #pragma comment(lib,"d3d11.lib") 3 #pragma comment(lib,"d3dx11d.lib") 4 #pragma comment(lib,"D3DCompiler.lib") 5 #pragma comment(lib,"Effects11d.lib") 6 #pragma comment(lib,"dxerr.lib") 7 #pragma comment(lib,"dxgi.lib") 8 #pragma comment(lib,"dxguid.lib") 9 10 11 class TestApp : public D3D11App 12 { 13 public: 14 TestApp(HINSTANCE hInstance); 15 16 void UpdateScene(float dt); 17 void DrawScene(); 18 }; 19 20 // 程序入口 21 int WINAPI WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE prevInstance, 22 PSTR cmdLine, int showCmd) 23 { 24 #if defined(DEBUG) | defined(_DEBUG) 25 _CrtSetDbgFlag( _CRTDBG_ALLOC_MEM_DF | _CRTDBG_LEAK_CHECK_DF ); 26 #endif 27 28 TestApp theApp(hInstance); 29 30 if( !theApp.Init() ) 31 return 0; 32 33 return theApp.Run(); 34 } 35 36 // 37 // TestApp Implement 38 // 39 40 TestApp::TestApp(HINSTANCE hInstance) 41 : D3D11App(hInstance) 42 { 43 m_mainWndCaption = L"2_D3DTimingAndAnimation"; 44 } 45 46 void TestApp::UpdateScene(float dt) 47 { 48 49 } 50 51 void TestApp::DrawScene() 52 { 53 assert(m_pD3DImmediateContext); 54 assert(m_pSwapChain); 55 56 m_pD3DImmediateContext->ClearRenderTargetView(m_pRenderTargetView, reinterpret_cast<const float*>(&Colors::LightSteelBlue)); 57 m_pD3DImmediateContext->ClearDepthStencilView(m_pDepthStencilView, D3D11_CLEAR_DEPTH|D3D11_CLEAR_STENCIL, 1.0f, 0); 58 59 HR(m_pSwapChain->Present(0, 0)); 60 }
注意：
1.Common文件夹拷贝到如图文件夹里
2.项目中添加文件夹并在文件夹中添加如图文件到项目中
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。
浙公网安备 33010602011771号