在Libgdx中修正物理引擎Box2d时间步长

文章翻译并修改自原文David Saltares。博主经验丰富，他的很多关于Libgdx的文章都值得一读，再此特作推荐。
Fix your Timestep是Glenn Fiedler所写的一篇关于处理物理模拟的文章。这篇文章是2006年的，但是其中大部分内容在今天仍然具有启发性。
这篇文章涉及了处理物理引擎中的时间增量的不同方法。这个问题很复杂，但是不可否认它对游戏行为和表现的影响。

我认为将这些内容迁移到使用Box2D物理引擎的Libgdx应用中是非常好的点子。这些也可以应用到Bullet中，它是另外一款优秀的物理引擎，而且迁移的改动非常小。

简单却错误的方法

将时间步长设定为1/60每秒，这是非常常见而且简单的方法。它可以让物理模拟稳定运行，但是当游戏运行FPS降到60以下时，物理引擎的表现会非常糟。而这在移动设备上非常常见。
最合乎逻辑的方案是计算现在时点在最后一帧后经过的时间，并传递给物理引擎。这样做显然会让每一帧的表现不同，整个物理引擎会表现的很不稳定。不同设备之间的表现会由于设备自身的不同（比如内存、运算器）产生变化。很明显，这不是我们期待的方案。

固定的时间步长

如果物理引擎以一个固定的步长，如1/60秒去运行，那么有些设备可能会运行的过快并达到120FPS。而同时有些设备可能运行过于缓慢，达到30FPS，那么物理引擎每两帧才前进一次。

如果游戏以50FPS运行，会出现什么情况

我们需要一个累加器来保存时间，然后尽可能的保持物理引擎和渲染一致。当这一帧时间过多时，我们可以将多余时间保留给下一帧。

public class SionGame extends ApplicationListener {
private World world;
private double accumulator;
private double currentTime;
private float step = 1.0f / 60.0f;
public void render() {
double newTime = TimeUtils.millis() / 1000.0;
double frameTime = Math.min(newTime - currentTime, 0.25);
float deltaTime = (float)frameTime;
currentTime = newTime;
while (accumulator >=  step) {
world.step(step, velIterations, posIterations);
accumulator -= step;
}
}

其中step是固定的时间步长，而accumulator是剩余的时间。

追加处理

因为accumulator中保存了剩余的时间，但是它又不足驱动物理引擎一次。这样就会出现一种视觉上的延迟或者卡顿，因为你的渲染所经历的时间比物理时间经历的时间长。
我们可以在这两个物理状态间追加一次实体的变化来减缓这种延迟。而追加的依据就是我们剩余的时间。

public class SionGame extends ApplicationListener {
private World world;
private double accumulator;
private double currentTime;
private float step = 1.0f / 60.0f;
public void render() {
double newTime = TimeUtils.millis() / 1000.0;
double frameTime = Math.min(newTime - currentTime, 0.25);
float deltaTime = (float)frameTime;
currentTime = newTime;
while (accumulator >= step) {
world.step(step, velIterations, posIterations);
accumulator -= step;
entityManager.update();
}
entityManager.interpolate(accumulator / step);
}

其中的Entityanager是一个专门的类。它承担为维持游戏实体集合的任务，并通过

update()

来更新物理世界，通过

interpolate()

方法来追加变化。

public void interpolate(float alpha) {
for (Entity entity : entities) {
Transform transform = entity.getBody().getTransform();
Vector2 bodyPosition = transform.getPosition();
Vector2 position = entity.getPosition();
float angle = entity.getAngle();
float bodyAngle = transform.getRotation();
position.x = bodyPosition.x * alpha + position.x * (1.0f - alpha);
position.y = bodyPosition.y * alpha + position.x * (1.0f - alpha);
entity.setAngle(bodyAngle * alpha + angle * (1.0f - alpha));
}
}

更详细的追加可以参考SionCore。

实例

Libgdx社区的成员Just4phil提供了一个本文阐述的方法的实例。详见参考部分。

参考

fix your timestep

Download demo jar

Game Screen

sioncore