以固定帧率更新画面的C语言编程方法
2017-03-24耿植
耿植
摘要：用C语言实现计算机动画时，往往使用一个大概时长作为画面之间的延时。该做法会使得不同画面的帧时长不相等，从而无法实现对动画速度的准确控制。针对该问题，对延时函数进行了改进，能按指定的帧时长进行自适应延时。以该理论为基础，进一步提出一种以固定帧率更新画面的编程方法，适用于编写需要按时更新画面的动画、游戏和应用程序。最后，以C语言编写控制台窗口文本界面下的“英文对话动态演示”应用程序为例，展示了该方法的应用。
关键词：计算机动画；帧率；延时；C语言；编程方法
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）01-0046-03
Abstract： To implement computer animation with C language， often use approximate duration as the delay between the frames. This will make the different time length between different frames， making it impossible to achieve accurate control over the speed of the animation. To solve this problem， the sleep function is improved and the adaptive delay can be carried out according to the specified frame time length. On this basis， further proposed a programming method to update frames with fixed frame rate， suitable for animation， games and applications. Finally， the application of this method is demonstrated by the example of "English Dialogue Dynamic Demonstration" under textual interface of the windows console in C language.
Key words： computer animation； frame rate； delay； C language； programming method
1 背景
利用人类视觉系统的视觉残留特性[1]，计算机动画中采用：“绘制一帧画面”、“延时”、“绘制下一帧画面”、“延时”的方式，在短时间内快速切换画面，能使人产生“画面是连续变化”的感觉。有大量的文章探讨了使用C语言在图形界面下进行画面绘制、擦除与切换的技术手段，如：屏幕重画、双缓冲、异或、调色板[2]、图形页面、掩膜[3]等。但却都只是简单地使用如delay（10）[3]、delay（200）[4]等大概延时作为控制动画速度的手段。这仅能实现 “按某个大概速度动起来”，而无法实现“按一个指定的速度动起来”和“从某时开始动起来，一直到某时为止”；也没有讨论一个画面中若同时存在多个不同速度变化的画面元素如何处理。以下提出一种以固定帧率更新画面的编程方法，可用于实现图形界面和文本界面下的各种类型的动画[6]、游戏和应用程序。下文中的C源代碼均在Windows系统中Visual C++编译环境调试通过。
2 帧率
帧率（frame rate）是影视、动画和游戏领域中的概念，表示画面切换的速度，单位为fps（frames per second，即每秒帧数）。fps数值越大则画面连贯性越强，但同时数据量也越大，不同场合下需要综合考虑容量与视觉效果的平衡。通常，电影的帧率为24fps（高帧率电影[5]可以达到48fps），电视（PAL制）为25fps，游戏对画面流畅性、操作反应灵敏性要求较高，通常需要高于30fps。
帧时长是指两帧画面先后出现的间隔时间长度，其值是帧率的倒数。为叙述方便，下文以Tfps=n表示帧率为n时的理想帧时长，单位为毫秒。即：
Tfps=n = 1000/n （ms）
在帧率确定后，即可通过帧时长来计算动画所需的帧数、同时控制画面元素的变化速度。
3 控制画面变化速度
以帧率为25fps的动画为例，其理想帧时长为：
Tfps=n = 1000/25 = 40（ms） （n=25）
若在绘制一帧画面后立刻更新下一帧画面，如下代码所示：
//程序段1：无延时画面更新
while （！kbhit（））
DrawOneFrame（）； //更新1帧画面
此时，第i帧的实际帧时长Tf（fi）等于该帧的代码执行时长Tr（fi），由于现代电脑性能强劲，Tr（fi）通常小于Tfps=25，即：
Tf（fi） = Tr（fi） < Tfps=n （n=25）
因此，上面代码生成的动画帧率大于25fps，画面会像快进的视频一样飞速播放。为控制画面更新速度，需要在更新完一帧画面后，进行适当时长的延时。
3.1 使用等时长延时粗略控制帧时长
要使动画的时长与速度准确，实际帧时长应等于理想帧时长，这需要为每一帧增加一个延时Td（fi），即：
Tfps=n = Tf（fi） = Tr（fi） + Td（fi）
如引言中所述，许多文章讨论动画实现时忽略代码执行耗时Tr（fi），将Td（fi）简化为一个固定时长的Td，即：
Tfps=n = Tf（fi） = Tr（fi） + Td （ Tr（fi）>0， 0 加入Td延时后程序段1改写为： //程序段2：等时长延时画面更新 #define FPS 25 /* 使用宏定义指定帧率，以25fps为例 */ #define FRAME_TIME （1000/FPS） /* 按帧率换算理想帧时长，单位为ms */ #define DELTA_T 0 /* Tr（fi）的一个粗略值，大部分文章取0值 */ #include while （！kbhit（）） { DrawOneFrame（）； //更新1帧画面 Sleep（FRAME_TIME - DELTA_T）； //等时长延时FRAME_TIME-DELTA_T ms } 显然，由于每帧画面的Tr（fi）的都不相同，Td无论取何值也无法使任意两帧的实际帧时长相等，即： Tf（fi） ≠ Tf（fj） （1≤i，j≤m，且i≠j，m为动画最大帧数） 因此，使用等时长延时控制动画速度有两个无法解决的问题： 第一， 同一段动画，无论Td取何值也无法得到稳定的帧率。如图1所示，电脑A无论采用40ms延时和25ms延时（或其他任何值）均无法使每一帧都得到40ms的帧时长； 第二， 采用相同延时的同一段动画，在不同性能的电脑上播放时帧率也不同。如图1所示，性能较弱的电脑B使用25ms延时，相比电脑A，其帧时长更长（即动画速度更慢）。 3.2 使用等帧长延时准确控制帧时长 为解决等时长延时的两个问题，必须知道第i帧画面的代码执行时长Tr（fi），计算得到第i帧的Td（fi）值，使得： Tfps=n = Tf（fi） （1≤i≤m， m为动画最大帧数） 如图2所示。 为此，必须要记录每次延时执行时的具体时刻，作为计算Td（fi）的依据，这可以通过使用clock（）函数实现。以下为库函数clock（）的函数原型。 clock_t clock（void）； clock（）函数返回自本程序运行起到调用此函数为止，CPU产生的clock tick（CPU时钟计时单元）数。在VC++6.0的time.h里，对每秒clock tick数有如下宏定义： #define CLOCKS_PER_SEC 1000 由此可知1个clock tick时长为1毫秒。因此，使用clock（）可以实现计时精度为±1ms的自适应等帧长延时函数。代码如下： //程序段3：改进的自适应等帧长延时函数 #include int pastFrames = 0 ； //全局变量，记录从程序运行到目前已经过的帧数 void FixedFrameTimeSleep（int frameTime） { static clock_t endClock = 0； //存放本次延时结束时刻的clock tick数 pastFrames++； //经过的帧数加1 endClock += frameTime * CLOCKS_PER_SEC / 1000； //计算本帧结束时刻 if （clock（） > endClock） //若已超时则不延时 endClock = clock（）； //以当前时刻为本帧的结束时刻 else while （clock（） < endClock） //循环1ms的延时至本帧结束，实现Td（fi） ms的延时 Sleep（1）； //延时并降低CPU占用率 } 使用此函数替换程序段1中的Sleep（）函数，即得到以固定帧率FPS运行的画面更新程序框架： //程序段4：自适应等帧长延时函数实现固定帧率更新画面 while （！kbhit（）） { DrawOneFrame（）； FixedFrameTimeSleep（FRAME_TIME）； } 4 實现画面元素按时更新的函数框架 在实现了固定帧率后，画面元素的更新频率可以换算为每几帧更新一次，出现时刻、结束时刻可以通过pastFrames来控制。如下函数框架实现：以指定fps（fps≤FPS），从startTime时刻到endTime时刻更新画面元素。 //程序段5：画面元素按时更新函数框架 void DrawAnimation（int fps，int startTime， int endTime） { int curTime， updateFrames ； curTime = pastFrames * FRAME_TIME ； //计算当前时间 if （ curTime >= startTime && curTime <= endTime ） //判断是否在指定的动画时间段 { updateFrames = FPS / fps ； //将画面元素的fps换算成每几帧更新一次 if （ pastFrames % updateFrames == 0 ） //判断是否应在本帧更新
{
//更新画面元素的代码
}
}
}
6 实现多个画面元素按时更新的程序框架
若画面中有多个画面元素，只需为它们分别编写合适的DrawAnimation（）函数，再依次加到程序循环中即可，如下所示：
//程序段6：多个画面元素按时更新的程序框架
while （！kbhit（））
{
DrawAnimation1（fps1，ts1，te1）；
DrawAnimation2（fps2，ts2，te2）；
……
FixedFrameTimeSleep（FRAME_TIME）；
}
7 编程方法应用演示
使用C编写一个控制台窗口文本界面下循环动态演示Tom和Jerry进行“英文对话”的程序。为演示编程方法中以固定帧率对多个画面元素分别按时更新的特性，对此应用程序做如下设定：
1）一轮对话分为“问”和“答”；
2）Tom从问候语中随机选择一句发问，Jerry根据问候语进行相应的回答；
3）发问前、回答前均停顿1秒，回答完成后停顿2秒，使得问答停顿自然；
4）Tom和Jerry的语速不同：Tom为10字符/秒，Jerry为20字符/秒；
5）有一个按“mmss””格式显示的数字时钟。
若设定帧率为40fps（帧时长为25ms），则根据应用程序设定可知：
1）数字时钟的更新频率fps为1，每40帧更新一次；
2）Tom、Jerry所说的话更新频率fps分别为10、20，每4帧、2帧更新1次；
3）一轮对话的时间顺序为：1秒+发问者说话字符数/语速+1秒+发问者说话字符数/语速+2秒。
为数字时钟、Tom（说的话）和Jerry（说的话）这三个画面元素按照DrawAnimation（）函数框架分别编写更新函数，并依序放入程序框架，以下为部分代码。
//程序段7：“英文对话演示”部分代码
#define MAX_TIME 3600 /* 设定最长演示时间3600秒 */
int ts1 = 0， te1 = 0； //Tom说话的开始时间与结束时间
int ts2 = 0， te2 = 0； //Jerry说话的开始时间与结束时间
while （！kbhit（））
{
CalculateTime（）； //在上一轮对话完成后，计算下一轮对话的时间安排
DrawTom（10，ts1，te1）；
DrawJerry（20，ts2，te2）；
DrawDigitalClock（1，0，MAX_TIME）；
FixedFrameTimeSleep（FRAME_TIME）；
}
最终实现的效果如图3所示。
8 结束语
改进的等帧长延时将每帧中代码执行、数值计算、界面更新等消耗的时长计算在内，动态增减剩余延时，保证每帧的时长相同。通过等帧长延时获得的固定帧率是一条时间轴，可以驱动程序流程准确地按时间运行。在确定帧率和帧时长后，可用之计算画面中每一个动态元素在此时间轴上的起始帧、结束帧以及需要更新的关键帧。这样就能保证画面中所有动态元素都能按各自速度和时间准确更新。但是，当画面元素之间、画面元素与用户操作之间存在比较复杂的交互逻辑时（比如：RPG游戏中的战斗场景[7]），使用面向过程的编程方式难以实现。因此，需要在此方法基础上引入事件驱动机制[8]，以降低程序交互逻辑实现的难度。
参考文献：
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[7] 张向娟， 李忠. 一种角色扮演类游戏软件设计方法及应用[J]. 电脑知识与技术， 2012（19）： 4641-4644.
[8] 韩志强. 关于C#实现事件驱动机制的研究[J]. 赤峰学院学报：自然科学版， 2010（12）： 50-51.
