Kiểm Soát Tốc Độ Khung Hình Trong Trò Chơi

Trong nhiều dịp khác nhau, tôi từng chia sẻ quan điểm cốt lõi về thiết kế lập trình trò chơi: việc kiểm soát thời gian đóng vai trò sống còn. Điều này xuất phát từ bản chất của đa số trò chơi điện tử - chúng là hệ thống tương tác thời gian thực giữa con người và máy móc.

Khác với các phần mềm thông thường, nơi cả phần cứng và phần mềm tạo thành hệ thống kín, các tham số thời gian không mang nhiều ý nghĩa trong việc xác định tính chính xác của hệ thống. Những hệ thống này nên được thiết kế theo mô hình tự động hóa, chỉ cần đầu vào đúng sẽ cho ra kết quả đúng. Quy trình phát triển chúng thường đi kèm với các phương pháp kiểm thử tự động hóa.

Tuy nhiên với phần mềm tương tác thời gian thực, con người trở thành một phần không thể tách rời của hệ thống. Sự giao tiếp giữa người và máy thông qua giác quan (mắt, tai) và thiết bị đầu vào (bàn phím, chuột) tạo thành luồng trao đổi thông tin đặc biệt. Nếu coi bộ não như một luồng xử lý và máy tính như luồng xử lý khác, chúng ta gần như không thể thiết lập cơ chế khóa tài nguyên để đảm bảo hệ thống vận hành hoàn hảo. Khi bộ não vận hành tối đa mà không nhận được thông tin chính xác, toàn bộ hệ thống có thể coi như gặp sự cố.

Đây chính là lý do kiểm soát thời gian trở thành yếu tố then chốt. Khi nói về tốc độ khung hình trong trò chơi, tôi đề xuất cách tiếp cận tách biệt giữa tần số khung hình logic và tần số khung hình render. Dù phương pháp này có thể gây tranh cãi với nhiều nhà phát triển engine, nhưng nó giúp đơn giản hóa đáng kể vấn đề phức tạp.

Tần số khung hình logic đại diện cho số lần xử lý logic trò chơi mỗi giây. Trong các dự án tôi tham gia, chúng tôi thường cố định con số này ở các mốc dễ tính toán theo hệ thập phân như 100Hz, 50Hz, 25Hz hay 20Hz. Việc giới hạn này cho phép tách biệt hệ thống máy móc khỏi yếu tố con người, tạo môi trường kiểm thử ổn định hơn. Logic trò chơi sẽ được xác định rõ ràng theo từng khung hình nguyên số.

Cần lưu ý rằng phần lớn tài nguyên máy tính trong trò chơi được dành cho render đồ họa. Trong khi đó, các xử lý logic (bao gồm mô phỏng vật lý từ đơn giản như tọa độ đối tượng đến phức tạp như engine vật lý 3D) hoàn toàn có thể đạt tần số cao hơn nhờ hiệu năng phần cứng hiện đại.

Về render đồ họa, não bộ con người có khả năng tự điều chỉnh với sai lệch nhỏ trong khoảng thời gian ngắn. Miễn là thông tin hiển thị không bị lệch quá xa về mặt thời gian, hệ thống sẽ tự “chỉnh hình”. Dù thị giác là kênh truyền thông tin lớn nhất, chúng ta không cần đạt đến mức tần số vô hạn. Việc render ở tần số cao hơn logic thường không mang lại hiệu quả rõ rệt.

Khi nhiều người chạy theo con số render FPS cao ngất ngưởng, chúng ta nên tự hỏi: Liệu có cách nào tối ưu hơn để não bộ cảm nhận sự mượt mà? Chính bộ não mới là yếu tố quyết định trải nghiệm, chứ không phải con số trên đồng hồ. Hãy nhìn vào các ảo ảnh thị giác - những hình ảnh tĩnh khiến ta có cảm giác chuyển động, hay những đoạn phim hoạt ảnh được xử lý đặc biệt để tạo ra hiệu ứng ngược lại (như hiệu ứng “nước chảy ngược” trong GIF thác nước nổi tiếng).

Não người có giới hạn trong việc xử lý hình ảnh. Khi tiếp nhận tín hiệu từ võng mạc, nó đồng thời dự đoán các trạng thái tiếp theo. Sự khớp giữa dự đoán và thực tế tạo cảm giác mượt mà, ngược lại gây ra chóng mặt hoặc ảo giác. Đây là lý do vì sao di chuyển camera nhanh thường bị phản đối trong cả game và điện ảnh. Các đạo diễn phim thường ưu tiên cảnh quay cố định, hoặc khi di chuyển camera, họ đảm bảo tốc độ ổn định để tránh gây khó chịu cho người xem.

Trong thiết kế game, nếu bắt buộc phải di chuyển camera (như theo chân nhân vật), chúng ta nên duy trì vận tốc đều đặn. Với giới hạn tần số khung hình hiện tại, việc di chuyển nhanh khó đạt được tính tuyến tính (dù là 2D hay 3D). Trong thực tế, các nhà thiết kế thường phải giảm tốc độ di chuyển camera để đảm bảo trải nghiệm mượt mà.

Về kiểm soát render frame rate, nguyên tắc vàng là render khung hình đúng vào thời điểm chính xác nhất. Việc render “khi rảnh” thường dẫn đến hiện tượng khung hình lúc nhanh lúc chậm (dù chỉ lệch 0.01 giây) gây ảnh hưởng đến cảm nhận. Giải pháp tối ưu là khóa tần số render ở mức bằng hoặc thấp hơn logic frame rate (ví dụ 1/2, 1/3). Điều này giúp trò chơi hoạt động hài hòa với các ứng dụng khác trên hệ điều hành đa nhiệm, đồng thời tận dụng hiệu quả thời gian rảnh để render chính xác.

Trong engine hiện tại của chúng tôi, chúng tôi áp dụng cơ chế điều chỉnh thông minh: theo dõi hiệu suất render trong vài giây gần nhất, tự động giảm tần số khi hệ thống quá tải và tăng lại khi có tài nguyên dư thừa. Phương pháp này đã chứng minh hiệu quả trong thực tế, mang lại trải nghiệm ổn định mà không gây lãng phí tài nguyên.