虚幻引擎：时间脉动（Tick of Time）

顾方亚

将虚幻引擎用于科研仿真时，需要保证：

• 实验可重复
  
• 运算结果和宿主机器的硬件速度无关
  
• 与渲染无关
  
• 可以把仿真过程加速，迅速计算取得最终结果
  
• 可以把仿真减速用于观赏，录制视频等等
  

然而虚幻引擎本身的时间系统是比较复杂的，在实现上述需求过程中踩了不少坑，
其中一个甚至是虚幻引擎浮点数精度导致的“蝴蝶效应”。
整理经验如下：
1、锁住虚幻引擎的帧率（FrameRate）

这个可以在Project Setting， Engine， General选项里面设置为固定值，也可以用C++调用GEngine函数处理。


这里的帧率最好设置为32，64等（2的整数次幂），作用后面会提。

2、时间膨胀系数（Global Time Dilation）

虚幻里面一个很方便的功能就是这个时间膨胀了，直接就能实现全速计算的功能。也就是说一个1分钟的仿真过程，我们可以利用时间膨胀Time Dilation的设置进行加速，当Time Dilation足够大时，完成这个仿真的计算时间完全取决于CPU的性能。


有一点需要注意，TimeDilation有默认的上下限，（默认时0.001到20），如需修改，请去World Setting改，如图：


3、实验结果可重复性：时间膨胀系数和帧率的配合

在仿真时，肯定希望无论如何加速计算，我们总能获得一致的结果，这就要求每个Tick的时间间隔（Delta Time，下面简称dt）是固定的。
在虚幻引擎中：

dt = 时间膨胀系数 / 帧率 =  TimeDilation / FrameRate

显然，为了保证结果一致，我们必须同时修改二者，例如（TimeDilation=1.25, FrameRate=64）,
（TimeDilation=2.5, FrameRate=128）等等。

4、蝴蝶扇动一下翅膀，Bug调一天

仿真里面是有“蝴蝶效应”的，即使按照上面的公式进行了dt的控制，可是当TimeDilation改变时，
运算的结果依然大相径庭，这是为什么呢？

原来虚幻的deltaTime时间在传参的时候采用的是32位浮点数，当帧率是60时，本来dt应该为

dt = 0.0166666666666666666666666666666

（没有考虑TimeDilation，因为TimeDilation是后面才乘上去的）
但在32位浮点数下，dt只能表示为

dt = 0.016666668

这小小的误差就是蝴蝶翅膀，随着运算的进行，逐步被放大，最后导致灾难性后果。
解决这个问题也很简单，众所周知，计算机都是二进制数，
如果帧率设置为2的整数次幂的话，帧率的倒数dt自然也是2的（负）整数次幂，如此一来，
32位浮点也可以完全精准地表示时间啦！蝴蝶效应的影响就自然消除了。

5、这瓜你要不要吧：虚幻的物理引擎

虚幻4里面的物理引擎支持sub-steping，我的理解是在游戏的frame之间再插入若干次计算。不过这个默认是关闭的，所以暂时不予以考虑。
然而这里还有一个神坑：


这个设置里面的Max Physics Delta Time对输入进来的dT会进行二次修改。
具体而言，就是如果dt超过了这个值，物理引擎会拒绝承认这个dt，用max physics delta time取而代之。
这个功能设计的初衷是防止dt太大导致离谱的物理运算结果产生（碰一下就螺旋升天等bug），
这里我们想让引擎的所有运算都臣服于统一的dt约束，所以需要把max physics delta time加大，禁止任何不受控的因素出现，一般0.5就差不多了。