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Unity3D中实现帧同步 - Part 2

Lockstep Implementation in Unity3D – Part 2

概览

在上次实现的帧同步模型当中，游戏帧率和通信频率(也就是帧同步长度)长度是固定间隔的。但实际上，每个玩家的延迟和性能都不同的。在update中会跟踪两个变量。第一个是玩家通信的时长。第二个则是游戏的性能时长。

移动平均数

为了处理延迟上的波动，我们想快速增加帧同步回合的时长，同时也想在低延迟的时候减少。如果游戏更新的节奏能够根据延迟的测量结果自动调节，而不是固定值的话，会使得游戏玩起来更加顺畅。我们可以累加所有的过去信息得到”移动平均数”，然后根据它作为调节的权重。

每当一个新值大于平均数，我们会设置平均数为新值。这会得到快速增加延迟的行为。当值小于当前平均值，我们会通过权重处理该值，我们有以下公式：

其中0<w<1

在我的实现中，我设置w=0.1。而且还会跟踪每个玩家的平均数，而且总是使用所有玩家当中的最大值。这里是增加新值的方法：

public void Add(int newValue, int playerID) {  if(newValue > playerAverages[playerID]) {   //rise quickly   playerAverages[playerID] = newValue;  } else {   //slowly fall down   playerAverages[playerID] = (playerAverages[playerID] * (9) + newValue * (1)) / 10;  } }

为了保证计算结果的确定性，计算只使用整数。因此公式调整如下：

其中0<w<1

而在我的例子中，w=1。

运行时间平均数

每次游戏帧更新的时间是由运行时间平均数决定的。如果游戏帧要变得更长，那么我们需要降低每次帧同步回合更新游戏帧的次数。另一方面，如果游戏帧执行得更快了，每次帧同步回合可以更新游戏帧的次数也多了。对于每次帧同步回合，最长的游戏帧会被添加到平均数中。每次帧同步回合的第一个游戏帧都包含了处理动作的时间。这里使用Stopwatch来计算流逝的时间。

private void ProcessActions() {  //process action should be considered in runtime performance  gameTurnSW.Start ();  ...  //finished processing actions for this turn, stop the stopwatch  gameTurnSW.Stop (); } private void GameFrameTurn() {    ...  //start the stop watch to determine game frame runtime performance  gameTurnSW.Start();  //update game  ...  GameFrame++;  if(GameFrame == GameFramesPerLockstepTurn) {   GameFrame = 0;  }  //stop the stop watch, the gameframe turn is over  gameTurnSW.Stop ();  //update only if it's larger - we will use the game frame that took the longest in this lockstep turn  long runtime = Convert.ToInt32 ((Time.deltaTime * 1000))/*deltaTime is in secounds, convert to milliseconds*/ + gameTurnSW.ElapsedMilliseconds;  if(runtime > currentGameFrameRuntime) {   currentGameFrameRuntime = runtime;  }  //clear for the next frame  gameTurnSW.Reset(); }

注意到我们也用到了Time.deltaTime。使用这个可能会在游戏以固定帧率执行的情况下与上一帧时间重叠。但是，我们需要用到它，这使得Unity为我们所做的渲染以及其他事情都是可测量的。这个重叠是可接受的，因为只是需要更大的缓冲区而已。

网络平均数

拿什么作为网络平均数在这里不太明确。我最终使用了Stopwatch计算从玩家发送数据包到玩家确认动作的时间。这个帧同步模型发送的动作会在未来两个回合中执行。为了结束帧同步回合，我们需要所有玩家都确认了这个动作。在这之后，我们可能会有两个动作等待对方确认。为了解决这个问题，用到了两个Stopwatch。一个用于当前动作，另一个用于上一个动作。这被封装在ConfirmActions类当中。当帧同步回合往下走，上一个动作的Stopwatch会成为这一个动作的Stopwatch，而旧的”当前动作Stopwatch”会被复用作为新的”上一个动作Stopwatch”。

public class ConfirmedActions { ...     public void NextTurn() {  ...  Stopwatch swapSW = priorSW;  //last turns actions is now this turns prior actions  ...  priorSW = currentSW;  //set this turns confirmation actions to the empty array  ...  currentSW = swapSW;  currentSW.Reset ();     } }

每当有确认进来，我们会确认我们接收了所有的确认，如果接收到了，那么就暂停Stopwatch。

public void ConfirmAction(int confirmingPlayerID, int currentLockStepTurn, int confirmedActionLockStepTurn) {  if(confirmedActionLockStepTurn == currentLockStepTurn) {   //if current turn, add to the current Turn Confirmation   confirmedCurrent[confirmingPlayerID] = true;   confirmedCurrentCount++;   //if we recieved the last confirmation, stop timer   //this gives us the length of the longest roundtrip message   if(confirmedCurrentCount == lsm.numberOfPlayers) {    currentSW.Stop ();   }  } else if(confirmedActionLockStepTurn == currentLockStepTurn -1) {   //if confirmation for prior turn, add to the prior turn confirmation   confirmedPrior[confirmingPlayerID] = true;   confirmedPriorCount++;   //if we recieved the last confirmation, stop timer   //this gives us the length of the longest roundtrip message   if(confirmedPriorCount == lsm.numberOfPlayers) {    priorSW.Stop ();   }  } else {   //TODO: Error Handling   log.Debug ("WARNING!!!! Unexpected lockstepID Confirmed : " + confirmedActionLockStepTurn + " from player: " + confirmingPlayerID);  } }

发送平均数

为了让一个客户端向其他客户端发送平均数，Action接口修改为一个有两个字段的抽象类。

[Serializable] public abstract class Action {     public int NetworkAverage { get; set; }     public int RuntimeAverage { get; set; }       public virtual void ProcessAction() {} }

每当处理动作，这些数字会加到运行平均数。然后帧同步回合以及游戏帧回合开始更新

private void UpdateGameFrameRate() {  //log.Debug ("Runtime Average is " + runtimeAverage.GetMax ());  //log.Debug ("Network Average is " + networkAverage.GetMax ());  LockstepTurnLength = (networkAverage.GetMax () * 2/*two round trips*/) + 1/*minimum of 1 ms*/;  GameFrameTurnLength = runtimeAverage.GetMax ();  //lockstep turn has to be at least as long as one game frame  if(GameFrameTurnLength > LockstepTurnLength) {   LockstepTurnLength = GameFrameTurnLength;  }  GameFramesPerLockstepTurn = LockstepTurnLength / GameFrameTurnLength;  //if gameframe turn length does not evenly divide the lockstep turn, there is extra time left after the last  //game frame. Add one to the game frame turn length so it will consume it and recalculate the Lockstep turn length  if(LockstepTurnLength % GameFrameTurnLength > 0) {   GameFrameTurnLength++;   LockstepTurnLength = GameFramesPerLockstepTurn * GameFrameTurnLength;  }  LockstepsPerSecond = (1000 / LockstepTurnLength);  if(LockstepsPerSecond == 0) { LockstepsPerSecond = 1; } //minimum per second  GameFramesPerSecond = LockstepsPerSecond * GameFramesPerLockstepTurn;  PerformanceLog.LogGameFrameRate(LockStepTurnID, networkAverage, runtimeAverage, GameFramesPerSecond, LockstepsPerSecond, GameFramesPerLockstepTurn); }