为DirectX游戏计算帧率

为DirectX游戏计算帧率
最近我写了自己的一个DirectX程序，使用的是自己的框架，以后我就会在我的DirectX程序框架上进行开发了。
首先我们需要探讨的是一个效率问题。在ACM程序中，是很讲究时空比的，也就是说一个程序要达到规定的时间和规定的内存容量这才算成功。那么游戏又何尝不是如此呢？相比一般的数值计算程序，游戏更讲究时效性，也就是说游戏开发人员可能为了达到渲染速度，可能会丢失一些渲染精度。这对程序员来说是一种很困难的抉择：是否选择现有的算法，还是放弃采取低精度的算法，亦或是开发出更有效的算法？为了衡量游戏的渲染效率，我们提出了FPS这个概念。FPS就是frame per second，简单来说就是一秒画多少帧。程序员花了那么多的时间，就是为了精益求精，但是这在游戏开发中是值得的。试想，如果一个游戏的帧率是15或者更低，那么谁会玩这么卡的游戏呢？基于这样的考量，游戏开发人员必须要想尽一切办法提高FPS。

以下是我电脑中部分游戏的截屏。（请注意右下角的FPS示意）

那么FPS是怎样测定的呢？有两种方法：一种是使用软件进行测量。我使用的是fraps，这样比较从客观的角度来衡量渲染的效率。另外也可以在已有的游戏代码中嵌入一些计算FPS的代码，这样做的好处是便于携带，如果想在别的机器上测定游戏的运行的效率，只需要将游戏复制到目的机器上就行了。事实上，使用软件测定的FPS会偏低，因为别的软件由于监视游戏的运行，会占用一定的CPU，而使用自己游戏的代码来查看虽然也占用CPU，但是渲染的部分是耗在GPU上的，给CPU的负担微乎其微。所以我建议大家在编辑DirectX游戏的时候，还是开发出一套计算帧率的代码，因为好处明摆着呢，况且实现也非常简单。
首先大家先想想，我们应该达到什么样的目的？我想大多数游戏给了我们答案。我们不想让自己游戏的FPS跳动太快，否则我们也看不清FPS到底是多少，但是我们也希望FPS能够随着时间的推移或者是用户的操作而产生变化。所以你应该猜得出每一秒FPS产生一次变化应当是理想的选择。那么FPS是怎样刚好在一秒内变化呢？这里我们应当想起了使用windows调用系统时间的API函数了。此外，我们也能够想到，计算出的FPS应当能够显示，因此我们可以使用D3DX字体，如果要求高一些，我们也可以使用纹理图案来显示。在这里，我使用了前者，因为它的操作最简单。下面我们就开始着手准备了。

LPD3DXFONTg_FPSFont=NULL;//指向FPS字体的指针
RECTg_FPSFontPos={WINDOW_WIDTH-100,WINDOW_HEIGHT-15,WINDOW_WIDTH,WINDOW_HEIGHT};//FPS所在的矩形框
INTg_FrameCount=0;//帧的计数器
INTg_lastTime=0;//记录上一秒的时间
INTg_currentTime=0;//记录当前的时间
CHARg_FPSstr[25]={0};//记录当前帧率的字符串

在上面的代码中，每一句我都添加了注释，在这里我就不复述了。随后我们在初始化游戏的时候添加创建字体的代码：

//创建字体
if(FAILED(D3DXCreateFont(g_JDevice,15,0,1,1,0,DEFAULT_CHARSET,OUT_DEFAULT_PRECIS,DEFAULT_QUALITY,
DEFAULT_PITCH|FF_DONTCARE,"Impact",&g_FPSFont)))returnFALSE;

创建字体的代码有些复杂，为了避免陷入具体的代码细节中，在这里我就略去了，这里有个链接，大家可以点击查看更多关于创建字体的内容。http://msdn.microsoft.com/en-us/library/bb172773(VS.85).aspx

然后就是我们的计数器代码了，虽然说计数器是我们这篇文章最有技术含量的内容，但它也非常简单。首先调用时间API函数，然后进行和前一秒记录的时间进行比对，如果超过了一秒，则更新当前的FPS，并且让前一秒的数值成为当前的数值，并且将帧计数器清零，否则帧计数器进行自加运算，并不更新FPS。下面就是我写的代码：

//计数器开始计数（以毫秒计）
g_currentTime=GetTickCount();
if(g_currentTime-g_lastTime>1000)
{
sprintf_s(g_FPSstr,25,"当前FPS：%d",g_FrameCount);
g_lastTime=g_currentTime;
g_FrameCount=0;
}
elseg_FrameCount++;

最后就是在渲染之中添加一个显示字体的代码了，代码如下面所示：

g_FPSFont->DrawText(NULL,g_FPSstr,-1,&g_FPSFontPos,DT_CENTER,
D3DCOLOR_XRGB(255,255,255));//显示字体

程序的显示效果如下图所示。为了符合一般游戏的规律，我们将FPS显示的内容尽量小些，并且放在右下角，以免影响玩家进行游戏。

下面我就这个程序做一点说明：
如果游戏是在窗口形式运行的话，如果我没有猜错的话，大家的FPS一定会小于等于60。因为桌面的刷新频率默认是60Hz。这点可以从“右键-属性-设置标签页-高级-监视器标签页”中可以看到。但是如果是全屏的游戏，则没有这个限制。一般来说，在D3DPRESENT_PARAMETERS::FullScreen_RefreshRateInHz这里进行修改，要让程序来识别可以使用的显示器模式，可以使用EnumAdapterModes()函数进行测试。

以下是我程序的全部代码：

/*---------------------------------------------------------------------------
蒋轶民制作E-mail：[e-mail]
文件名：MainFrame.cpp
作用：计算当前帧率（FPS）
----------------------------------------------------------------------------*/
/*--------------------------------------------------------------------------*/

//头文件
#include<windows.h>
#include<d3d9.h>
#include<d3dx9.h>
#include<stdio.h>

//库文件
#pragmacomment(lib,"d3d9.lib")
#pragmacomment(lib,"d3dx9.lib")

//定义的宏
#defineJCLASSNAME"优化的程序"
#defineJCAPTION"程序演示"
#defineWINDOW_WIDTH320
#defineWINDOW_HEIGHT320
#defineSAVE_RELEASE(p)if(p)p->Release();p=NULL;

//调整编译器设置
#pragmawarning(disable:4100)

/*----------------------------------------------------------------------------*/

//全局变量
LPDIRECT3D9g_JD3D=NULL;//D3D结构体
LPDIRECT3DDEVICE9g_JDevice=NULL;//D3D装置结构体
LPD3DXFONTg_FPSFont=NULL;//指向FPS字体的指针
RECTg_FPSFontPos={WINDOW_WIDTH-100,WINDOW_HEIGHT-15,
WINDOW_WIDTH,WINDOW_HEIGHT};//FPS所在的矩形框
INTg_FrameCount=0;//帧的计数器
INTg_lastTime=0;//记录上一秒的时间
INTg_currentTime=0;//记录当前的时间
CHARg_FPSstr[25]={0};//记录当前帧率的字符串

/*----------------------------------------------------------------------------*/
//函数的声明
BOOLInitializeD3D(HWNDhWnd)
{
D3DDISPLAYMODEdisplayMode;

//创建D3D对象
if((g_JD3D=Direct3DCreate9(D3D_SDK_VERSION))==NULL)
returnFALSE;

//获取显示器的模式
if(FAILED(g_JD3D->GetAdapterDisplayMode(D3DADAPTER_DEFAULT,&displayMode)))
returnFALSE;

//D3D显示的参数
D3DPRESENT_PARAMETERSjd3dpp;
ZeroMemory(&jd3dpp,sizeof(jd3dpp));

//初始化D3DPRESENT_PARAMETERS
jd3dpp.Windowed=TRUE;
jd3dpp.BackBufferWidth=WINDOW_WIDTH;
jd3dpp.BackBufferHeight=WINDOW_HEIGHT;
jd3dpp.SwapEffect=D3DSWAPEFFECT_DISCARD;
jd3dpp.BackBufferFormat=displayMode.Format;
jd3dpp.EnableAutoDepthStencil=TRUE;
jd3dpp.AutoDepthStencilFormat=D3DFMT_D16;

//创建设备
if(FAILED(g_JD3D->CreateDevice(D3DADAPTER_DEFAULT,
D3DDEVTYPE_HAL,hWnd,D3DCREATE_SOFTWARE_VERTEXPROCESSING,
&jd3dpp,&g_JDevice)))
returnFALSE;

//设置渲染状态
g_JDevice->SetRenderState(D3DRS_LIGHTING,FALSE);
g_JDevice->SetRenderState(D3DRS_ZENABLE,D3DZB_TRUE);

//创建字体
if(FAILED(D3DXCreateFont(g_JDevice,15,0,1,1,0,DEFAULT_CHARSET,
OUT_DEFAULT_PRECIS,DEFAULT_QUALITY,DEFAULT_PITCH|FF_DONTCARE,
"Impact",&g_FPSFont)))returnFALSE;

returnTRUE;
}
/*----------------------------------------------------------------------------*/
//释放所有资源
voidReleaseMemory(void)
{
SAVE_RELEASE(g_JD3D);
SAVE_RELEASE(g_JDevice);
SAVE_RELEASE(g_FPSFont);
}
/*----------------------------------------------------------------------------*/
//渲染屏幕
voidRenderScene(void)
{
//计数器开始计数（以毫秒计）
g_currentTime=GetTickCount();
if(g_currentTime-g_lastTime>1000)
{
sprintf_s(g_FPSstr,25,"当前FPS：%d",g_FrameCount);
g_lastTime=g_currentTime;
g_FrameCount=0;
}
elseg_FrameCount++;

g_JDevice->Clear(0,NULL,D3DCLEAR_TARGET|D3DCLEAR_ZBUFFER,
D3DCOLOR_XRGB(0,0,0),1.0f,0);//清除屏幕

//开始渲染
g_JDevice->BeginScene();

g_FPSFont->DrawText(NULL,g_FPSstr,-1,&g_FPSFontPos,DT_CENTER,
D3DCOLOR_XRGB(255,255,255));//显示字体

//结束渲染
g_JDevice->EndScene();

g_JDevice->Present(NULL,NULL,NULL,NULL);
}
/*----------------------------------------------------------------------------*/
//回调函数，用来处理消息
HRESULTCALLBACKMyAppProc(HWNDhWnd,UINTmsg,WPARAMwParam,LPARAMlParam)
{
switch(msg)
{
caseWM_DESTROY:
PostQuitMessage(0);
return0;
caseWM_KEYDOWN:
if(wParam==VK_ESCAPE)PostQuitMessage(0);
return0;
}
return(HRESULT)DefWindowProc(hWnd,msg,wParam,lParam);
};
/*----------------------------------------------------------------------------*/
//程序的入口，主函数
INTWINAPIWinMain(HINSTANCEhInst,HINSTANCEhPrevInst,LPSTRcmd,INTshow)
{
//设置WindowClass结构并且注册它
WNDCLASSEXjWndCls={sizeof(jWndCls),CS_CLASSDC,MyAppProc,0,0,hInst,
NULL,LoadCursor(NULL,IDC_ARROW),0,NULL,JCLASSNAME,NULL};
RegisterClassEx(&jWndCls);

//设置窗口并且显示窗口
HWNDhWnd=CreateWindow(JCLASSNAME,JCAPTION,WS_CAPTION|WS_SYSMENU,100,40,
WINDOW_WIDTH,WINDOW_HEIGHT,GetDesktopWindow(),NULL,jWndCls.hInstance,NULL);
if(hWnd==NULL)
returnFALSE;
ShowWindow(hWnd,SW_SHOWDEFAULT);
UpdateWindow(hWnd);

//初始化设置
if(InitializeD3D(hWnd)==FALSE)
returnFALSE;

//进入消息循环
MSGmsg;
ZeroMemory(&msg,sizeof(msg));
while(msg.message!=WM_QUIT)
{
if(PeekMessage(&msg,NULL,0,0,PM_REMOVE))
{
TranslateMessage(&msg);
DispatchMessage(&msg);
}
else
{
//渲染屏幕
RenderScene();
}
}

//程序结束，释放内存所有资源
ReleaseMemory();

//解除窗口注册
UnregisterClass(JCLASSNAME,jWndCls.hInstance);
return(INT)msg.wParam;
}

我更多的DirectX程序，请看：

为自己创作一个好的DirectX程序风格

设计DirectX游戏开头动画效果

设计DirectX游戏开头画面淡入淡出的效果

我的游戏：走迷宫（DirectX版）

好了，今天就说到这里了，祝愿所有喜欢游戏开发的同学们能够实现自己开发游戏的梦想！我又得回去学习我的数据结构了，顺便说一声了，我看到了关键路径来了，而我们的老师讲课的速度也太慢了吧。图都还没有讲呢。