BASIC で tick

BASIC で tick

〜十進 BASIC でプログラムの速度維持〜

2022-03-21 作成福島

十進 BASIC でアニメーションを

アニメーションのプログラムを作成するには、VSYNC^*1 (ディスプレイの垂直同期信号) に同期して
割り込みプログラムを作成するのが定石ですが、十進 BASIC には VSYNC 割り込みやタイマ割込みに同期する機能がありません。
^*1VSYNC ぶいしんく: ディスプレイの表示に影響がない期間。テレビは約 1/60 秒ごとに発生する。

ここでは、同期信号に頼らずプログラムの実行速度を維持するプログラムを作成します。
具体的なアルゴリズムは以下で、pygame.time.Clock() の tick(60) 関数や、SmileBASIC の VSYNC 命令のようなものです。

「前回の時刻」を記憶しておく

今回の時刻が「前回の時刻 + 指定した間隔」に到達するまで何もしない。

当 BogusTick は、時刻の比較により処理に要した時間を計算し、長さの異なる調整時間を自動的に作る副プログラムです。

制限事項

十進 BASIC の以下の命令を利用しますが、TIME の精度が低い (小数点以下第 2 位まで) ので、正確な検証には適していません。
一般的な VSYNC は約 1/60 (0.0166···) なので 0.001 の桁が欲しい。

命令機能

TIME その日の 00:00:00.00 からの経過秒数 (0.00～86399.99) を返す。

WAIT DELAY 指定時間が過ぎるまでプログラムの実行を停止する。

日をまたいでも OK ですが、インターバルは 24 時間未満 (86399.99 秒以下) にしてください。
時刻の計測に TIME の値のみ扱うため、日をまたぐ処理を 1 回だけ考慮しています。
24 時間以上のインターバルを扱うには、もう一つカウンタを用意する等の対処をしてください。

Windows 版で GetKeyState() と併用する場合、なぜか fps (Frames Per Second = 1 秒間に絵を入れ替える回数) は 10～19 を指定する必要があります。
特に、20 以上 (0.05 秒以下の間隔) を指定すると処理が極端に重くなります。

挿入する調整時間の長さで制御するため、処理落ち (期限を迎えても処理中) が生じた場合に次の fps コマから処理時刻がズレて進行します。
こうなると、ズレが蓄積されたまま消化されません。(調整時間の帳尻合わせは実施していません)

処理間隔の調整方法

プログラムを一定間隔で動作させるには、VSYNC 等の割り込みのほかに WAIT (ウエイト = 調整時間) を意図的に入れる方法があります。
(カスタネット演奏に例えると「たん・うん」の「うん」に相当。「たん」だけではリズミカルに進行できない)

「実行したい処理」の直後に WAIT を挿入しますが、「実行したい処理」はその時々によって動的に処理時間が変化します。
これに従い、調整をするための WAIT も都度長さを変更する必要があります。

VSYNC 割り込みやタイマ割込みがハードウェアにより機械的に作り出されるのに対し、この方法はソフトウェアで WAIT を計算しているため、
航空機の制御等の精密な処理には向きませんが、アニメーションやゲームの処理に役立ちます。

この図は 1 秒間に繰り返される、実行したい処理と WAIT の関係を表しています。

←------ 1 秒間 ------→

1/fps 秒 1/fps 秒 ··· 1/fps 秒

← 実行したい処理 [1] → ← WAIT[1] → ← 実行したい処理 [2] → ← WAIT[2] → ··· ← 実行したい処理 [n] → ← WAIT[n] →

実行したい処理 [n] の時間を t[n] とすると、WAIT[n] = 1/fps - t[n] となる。
このとき、n は 1,2, .., fps。

例えば、fps = 10 の場合 (1 秒に 10 回の処理 = 0.1 秒間隔) は、以下のようになります。( WAIT[1～10] それぞれの調整時間に注目)

←------ 1 秒間 ------→

1/10 秒 [1]
(0.1 秒) 1/10 秒 [2]
(0.1 秒) ··· 1/10 秒 [10]
(0.1 秒)

← 実行したい処理 [1] →
(0.05 秒) ← WAIT[1] →
(0.05 秒) ← 実行したい処理 [2] →
(0.08 秒) ← WAIT[2] →
(0.02 秒) ··· ← 実行したい処理 [10] →
(0.09 秒) ← WAIT[10] →
(0.01 秒)

コンピュータの処理は速いので、実際は 0.09 秒もかからない。(← そうならないときはアルゴリズムか仕様のどこかがおかしい)

近年は FPS ゲームの影響によりコンピュータの処理速度に表示が追従することも増えていますが、動作の基本は一定間隔です。

プログラムと使い方

下記プログラム中の「サンプルプログラム」を参考にして実装してください。
ループの最初に WAIT を挿入していますが、「前回の時刻」を -1 で初期化しているので最初は空振りします。(このとき「前回の時刻」に正しい値が入る)
!--- サンプルプログラム ここから ---
DECLARE EXTERNAL SUB BogusTick ! この行は無くても動作するが作法に従う。
LET BogusTick_before = -1
FOR i = 0 TO 9
   CALL BogusTick(BogusTick_before, 15)   ! 15fps の場合
   PRINT TIME$, TIME
NEXT i
END
!--- サンプルプログラム ここまで ---


! プログラムの実行速度を維持する副プログラム。
! 使い方:
!     DECLARE EXTERNAL SUB BogusTick
!     LET BogusTick_before = -1    ! 前回時刻は -1 (または TIME) で初期化すること。
!     LET fps = 2                  ! これは 2 fps の場合。(0.5 なら 1/0.5 = 1f/2sec になる)
!     DO
!        CALL BogusTick(BogusTick_before, fps)
!        ! いろいろ処理
!     LOOP

! BogusTick version 1.0 written by fuku@rouge.gr.jp
EXTERNAL SUB BogusTick(before, fps)
IF before >= 0 AND fps > 0 THEN
   LET current = TIME
   IF before > current THEN LET before = before - 24 * 3600
   LET this_wait = 1 / fps - (current - before)
   IF this_wait > 0 THEN WAIT DELAY this_wait
END IF
LET before = TIME
END SUB
^{*2このプログラムは自由に使用して構いませんが、学習者がオリジナルへ戻ることができるよう、version の行を消さないことを希望します。

IF before > current THEN LET before = before - 24 * 3600

日をまたいだ時の処理。ここで一瞬 before < 0.00 になるが、当該副プログラム最後の before = TIME で正になる。

IF this_wait > 0 THEN WAIT DELAY this_wait

処理落ちになっていなければ調整時間を挿入する。WAIT DELAY 命令は負の値を指定するとエラーになる。}

命令	機能
TIME	その日の 00:00:00.00 からの経過秒数 (0.00～86399.99) を返す。
WAIT DELAY	指定時間が過ぎるまでプログラムの実行を停止する。