【弹幕程序科普计划】第四篇 同调弹幕所面对的技术问题与解决方案

【同调弹幕所面对的技术问题与解决方案】

　　新海诚导演曾表示过，自己曾经也很喜欢做游戏，但是游戏的音乐无法与剧情完全同步，无法100%完全控制游戏玩家的体验，这点令他不满。他希望完全控制作品中的时间和空间，因此才制作动画。然而，其实还是有一种特殊情况，游戏中的音乐可以与内容完全同步。这种情况简单讲，就是游戏的版面推进速度恒定，或者说版面推进速度不受玩家控制，这种情况下游戏作者有条件根据BGM来同步布置游戏版面，从而最大程度控制玩家情绪。而STG典型地符合这种情况。

　　长久以来，各类STG都或多或少存在版面与BGM配合的情况，其中不乏一些极端做法，让版面和BGM完全同步。对这类作品，有些地方称其为同调弹幕，有些地方称其为高同步STG，有时我自己会将其叫作全同步弹幕，叫法并不统一。为了方便，本文统一将他们称为同调弹幕。这类作品常具有以下特点：

1. 敌机出现频率和发弹频率与BGM节奏相符

2. 版面与BGM同步转阶段

3. 发弹时间点压住BGM鼓点

4. 版面与BGM同步结束

　　比较典型的作品例如前段时间C91的游戏《IKUSAAAAAAAN!》、我以前做的《东方百花宴》以及现在在做的《弹幕音乐绘》

　　这里给个《IKUSAAAAAAAN!》的视频链接供参考

　　http://www.bilibili.com/video/av7888754/

　　以下本文将主要讨论同调弹幕所牵涉的技术问题。不过，版面同步这件事情是有很强的主观性的。即使《IKUSAAAAAAAN!》这样的高同步版面，肯定依然有很多玩家注意不到其中的同步，而仅将注意力集中在其疯狂的弹幕上。如果实在感觉不到同步的话，请跳过本期文章。。。

　　本文并不会详细讲解同调弹幕艺术层面的东西，也就是怎么样才同步，怎么才能让版面和BGM配合更好之类的问题。其实，之前我曾经头脑一热，做了两个视频去解说新海诚短片MV作品的音画同步，但是解说效果非常有限。游戏的音画同步和MV其实很类似，如果通过视频加语音解说都讲不清的东西，这里想仅通过文字来讲清楚，这不是作死么。。。所以本文仅从同调弹幕的技术层面出发。那么估计很多人会问，对于同调弹幕，技术层面究竟有什么可以讲的东西。我可以负责地说，超过99.9%的人意识不到下面要讲的这个问题。

　　其实，对于传统的游戏做法，不管使用什么游戏引擎，理论上都是无法制作出同调弹幕的。因为游戏运行的速度总有不稳定因素，并不可能从头至尾都和BGM保持同步。

　　这里先说明一个概念，游戏本身存在两种推进模式，一种是按时间推进，一种是按帧推进。所谓按时间推进，就是说版面与实际时间相关，比如游戏在第20秒出现Boss，则不管在20秒时游戏运行了多少帧，都会出现Boss。而所谓按帧推进，就是说版面与帧相关，而不直接与时间相关，只有当帧率恒定不变时，游戏运行速度才是固定的。如果还是要在第20秒时出现Boss的话，则是设置成在第1200帧时出现Boss，按每秒60帧的帧率，正好20秒出现Boss。但是如果期间出现掉帧，花了21秒才运行到第1200帧，那么Boss就会在第21秒出现。

　　我们熟悉的弹幕游戏基本都是按帧推进的，因此会存在帧率不稳从而产生累计误差的情况。那么具体影响会有多大？要求误差在什么范围内才能做同调弹幕？根据经验，如果要压着鼓点来发弹（或者压着乐器压着歌词来发弹），发弹时间点与鼓点偏差在5帧以内时，几乎感觉不到；偏差大于5帧时，会逐渐感觉到偏差存在；当偏差达到10帧时，偏差会比较明显；当偏差达到20帧时，会直接让人感觉不同步。至于实际偏差会有多大，我们可以来算一下。假如游戏帧率从60fps偏差到60.1fps，偏差率1/600。百花宴5面后半BGM曲长3分43秒，合13380帧。

　　13380×1/600=22.3帧

　　通过计算可以看到，1/600的偏差已经超出了允许范围，这还没有算上游戏出现非正常卡顿的情况。而且不要认为正常不会偏差到60.1fps，其实即使是开着垂直同步，帧率依然是一个不怎么可靠的数字。我之前有一台旧的笔记本，玩东方游戏稳定运行在59.6fps，之前我用那台机器做出来的同调弹幕在别的机器上都不同步，也算是被坑的够惨。在这种帧率不稳可以产生累计误差的情况下，制作同调弹幕理论上不可行。即使有的作者想去做同调弹幕，也只能是一厢情愿。这里举个同调弹幕失败的例子——《东方危险领》。

　　http://www.bilibili.com/video/av2172105/

　　视频第29分钟后，接近游戏末尾，有一段非常疯狂的弹幕表演，虽然子弹打不死人，但是仅作为弹幕演出这段也非常出彩。然而，弹幕并没有和BGM同步结束，最后BGM还进入了第二次循环。我相信这肯定不是作者的本意，而是游戏长期运行在低于60fps的帧率下，使得游戏运行速度低于设计值，所以BGM先播完了而游戏还没结束。

　　为了解决游戏帧率误差带来的不同步问题，有从艺术层面进行妥协的做法。比如压鼓点发弹这种做法可以仅放在游戏前半部分，避免游戏后期产生误差后破坏同步感；对于版面和BGM同步结束这种做法，可以将BGM设成单次播放，从而避免在版面结尾时BGM再次响起的尴尬。但是这些方法并不解决根本问题，要做同调弹幕，归根结底必须从技术层面加以支持。

　　为了实现真正的同调弹幕，总共出现过三种非常具有针对性的解决方案，代表作品分别为《Akashicverse》、《IKUSAAAAAAAN!》以及我做的《东方百花宴》和《弹幕音乐绘》，以下将分别介绍。

1. 按帧推进和按时间推进相结合的版面控制逻辑

《Akashicverse》是一部非常有创意的STG作品。它为STG融入了FTG要素，是难得一见的可以“搓招”的STG。除此之外，这部作品在版面同步上也是下足了功夫。弹幕花样非常多，随BGM转阶段而不断变换，其中5面尤为出彩。为了同步，很多时候，Boss的弹幕会随时间相关，击破逻辑比较复杂。有时击破了Boss的一个弹幕，而BGM转阶段时间还没到，它就会再补一个弹幕上来。

　　在这部作品中，为了达到版面与BGM同步，采取了一种按帧推进和按时间推进相结合的版面控制逻辑。怎么个结合法，具体来说，它本身还是一个按帧推进的游戏，子弹发射时间点按帧定位，物体运动速度按每帧多少像素来算。但是，在版面转阶段或者弹幕转阶段时，它依据的是时间定位。也就是说，弹幕起始和结束的时间必然和BGM同步。举个非常极端的例子，如果有一个弹幕每30帧发1波子弹，要持续10秒，在正常60fps下应该是持续600帧，然而游戏卡成了1fps，在10秒内只能运行10帧，那么在这10秒内，可能会1波子弹都发不出来，到10秒后直接转入下一个弹幕。

　　从以上例子可以看出，这确实是一种强行将版面与BGM同步起来的方法，但是也有相当大的缺陷。至少在游戏卡顿厉害的情况下，会影响到游戏内容。除此之外，还使得游戏无法储存Replay，这点简直是致命伤。至于为什么会影响Replay，这在后续文章我们讲Replay的存储原理以后就好理解了，这里先放一下。

　　可能由于没有Replay功能这个缺陷，加上游戏弹幕丧心病狂，使得《Akashicverse》这作游戏现在要找个视频都比较困难，大家如果感兴趣的话，可以去优酷或者YouTube上找视频，应该还能找到几个。此外，由于有“搓招”功能，使得游戏自由度也比较高，系统稍显复杂，大多数人在游戏过程中可能并不会去体会同步方面的细节，多少有些遗憾。

2. BGM重定位法

　　不久前C91上发布的游戏《IKUSAAAAAAAN!》，这作游戏完全可以称其为音乐游戏。从道中到Boss战所有弹幕甚至所有特效都和BGM高度同步，所有Boss弹幕都是时符。道中和Boss战都分为几个阶段，会对玩家的表现进行评分，如果评分低于指定值，就会在BGM转阶段处强行将版面停止，然后进入下一个关卡。由于和BGM转阶段部分配合的天衣无缝，所以版面强行停止也毫无违和感。

　　对于这样一作游戏，曲子长度随便就上3、4分钟，如果不做特别处理，累计误差将完全破坏同步性，所以这作游戏在技术上也用了非常有创意的解决方案。在游戏设置选项中，可以看到这样一个选项，称为BGM同期补正机能。

　　解释一下这个功能的原理。在游戏进行时，游戏将每隔一段时间检测一下BGM播放的进度，如果发现BGM播放的进度与版面的进度偏差大于指定值时，就将BGM从指定的位置继续播放。至于偏差大于指定值具体是多少，那就是以上画面中写的0.05秒。至于BGM从什么位置继续播放，这个位置可以通过版面进度（单位：帧）除以理论帧率（单位：帧/秒）来计算获得。这种方法概括来讲，就是一种根据游戏进度对BGM进行重定位的方法。正是基于这种方法，在本作游戏中时而可以听到BGM的卡顿现象，这种现象其实是由于版面出现了卡顿或延时后，在对BGM进度进行调整。

　　从本作游戏可以看出，这种BGM重定位方法起到了不错的效果。

　　除了以上两种实现同调弹幕的方法，还有一种是我从《东方百花宴》开始一直使用的方法，我称其为绝对帧率控制法。考虑到篇幅原因，这种方法将在下次介绍。由于牵涉到帧率控制问题，下次将对传统的帧率控制方法以及改良方法一并做出介绍，敬请期待。