Interpolation и prediction для сетевых игр

В многопользовательских играх, построенных на базе JavaScript и HTML5, сетевые задержки становятся главным источником визуальных артефактов: рывков, телепортации объектов и рассинхронизации состояний. Даже при использовании быстрых протоколов (например, WebSocket) невозможно обеспечить мгновенную доставку пакетов. Задержка (latency), джиттер (jitter) и потеря пакетов неизбежны.

Библиотека Phaser предоставляет удобный игровой цикл и средства управления сценами, однако не содержит встроенной высокоуровневой системы сетевой синхронизации. Реализация interpolation и prediction выполняется на уровне архитектуры проекта.

Базовая модель клиент–сервер

В сетевых играх используется одна из двух моделей:

  • Authoritative server — сервер является источником истины.
  • Peer-to-peer — клиенты синхронизируются напрямую.

В большинстве real-time игр применяется authoritative server:

  1. Клиент отправляет ввод (input).
  2. Сервер рассчитывает физику.
  3. Сервер отправляет состояние мира.
  4. Клиент отображает обновлённое состояние.

Проблема возникает из-за задержки между шагами 1–4.

Interpolation (интерполяция)

Суть метода

Interpolation — это отображение объекта не в его последнем полученном состоянии, а между двумя последними подтверждёнными состояниями.

Идея:

  • Сервер отправляет позицию каждые, например, 100 мс.
  • Клиент хранит несколько последних состояний.
  • Отрисовка выполняется с небольшой задержкой (buffer delay).
  • Позиция вычисляется как интерполяция между двумя снапшотами.

Буфер состояний

Структура хранения:

class SnapshotBuffer {
    constructor() {
        this.buffer = [];
    }

    add(snapshot) {
        this.buffer.push(snapshot);
        if (this.buffer.length > 20) {
            this.buffer.shift();
        }
    }
}

Серверный снапшот обычно содержит:

{
    id: 42,
    x: 120,
    y: 300,
    timestamp: 123456789
}

Линейная интерполяция (LERP)

Формула:

lerp(a, b, t) = a + (b - a) * t

Где:

  • a — предыдущая позиция
  • b — следующая позиция
  • t — коэффициент от 0 до 1

Реализация:

function lerp(a, b, t) {
    return a + (b - a) * t;
}

Применение в сцене Phaser:

update(time, delta) {
    const renderTimestamp = Date.now() - 100;

    const [older, newer] = this.getSnapshots(renderTimestamp);

    if (!older || !newer) return;

    const t = (renderTimestamp - older.timestamp) /
              (newer.timestamp - older.timestamp);

    this.player.x = lerp(older.x, newer.x, t);
    this.player.y = lerp(older.y, newer.y, t);
}

Задержка рендеринга (100 мс) позволяет гарантировать наличие двух снапшотов для плавного перехода.

Интерполяция углов

Для углов необходимо учитывать цикличность (0° = 360°). Используется shortest path interpolation:

function lerpAngle(a, b, t) {
    let diff = b - a;
    if (diff > 180) diff -= 360;
    if (diff < -180) diff += 360;
    return a + diff * t;
}

Extrapolation (экстраполяция)

Если следующий снапшот отсутствует, возможна экстраполяция — предсказание движения на основе скорости:

x = lastX + velocityX * deltaTime

Недостаток — ошибки быстро накапливаются.

Client-side Prediction (клиентское предсказание)

Основная идея

Client-side prediction позволяет клиенту немедленно применять ввод игрока, не дожидаясь ответа сервера.

Алгоритм:

  1. Игрок нажимает кнопку.

  2. Клиент:

    • отправляет input на сервер
    • применяет input локально

  3. Сервер подтверждает состояние.

  4. Клиент корректирует расхождения.

Хранение истории вводов

class InputHistory {
    constructor() {
        this.inputs = [];
    }

    add(input) {
        this.inputs.push(input);
    }

    clearUntil(sequence) {
        this.inputs = this.inputs.filter(i => i.sequence > sequence);
    }
}

Каждый input содержит:

{
    sequence: 15,
    left: false,
    right: true,
    up: false,
    timestamp: 123456
}

Применение предсказания

В сцене Phaser:

update() {
    const input = this.collectInput();
    this.socket.emit("input", input);

    this.applyInput(this.player, input);
    this.inputHistory.add(input);
}

Server Reconciliation (согласование)

Когда сервер присылает состояние:

socket.on("state", (serverState) => {
    player.x = serverState.x;
    player.y = serverState.y;

    inputHistory.clearUntil(serverState.lastProcessedInput);

    inputHistory.inputs.forEach(input => {
        applyInput(player, input);
    });
});

Таким образом:

  • состояние корректируется
  • затем повторно проигрываются неподтверждённые вводы

Это устраняет «телепортацию» персонажа.

Интерполяция удалённых игроков

Client-side prediction применяется только к локальному игроку. Для остальных игроков используется interpolation:

remotePlayers.forEach(player => {
    const snapshot = player.buffer.getInterpolatedState(renderTime);
    player.sprite.setPosition(snapshot.x, snapshot.y);
});

Так достигается:

  • локальная отзывчивость
  • плавность отображения других игроков

Работа с физикой Arcade Physics

В Phaser при использовании Arcade Physics важно:

  • не использовать серверную позицию напрямую для тел,
  • корректировать через setPosition,
  • отключать автоматическую синхронизацию скорости при reconciliation.

Пример:

player.body.reset(serverState.x, serverState.y);

Интерполяция с учётом скорости

Улучшенная формула:

position = lerp(past, future, t) + velocity * interpolationOffset

Позволяет компенсировать задержку без визуального отставания.

Tick rate и render rate

Различие частот:

  • Сервер: 20–60 ticks/sec
  • Клиент (Phaser): ~60 FPS

Interpolation заполняет промежутки между серверными тиками.

Компенсация джиттера

Для борьбы с нестабильной задержкой применяется:

  • динамический interpolation delay
  • сглаживание времени (time smoothing)
  • ограничение максимальной экстраполяции

Пример адаптивной задержки:

this.interpolationDelay = averageLatency + jitterBuffer;

Dead Reckoning

Метод предсказания движения по последнему вектору:

x(t) = x0 + v * t + 0.5 * a * t²

Используется в играх с транспортом или ракетами.

Архитектурная схема

Для полноценной реализации в Phaser структура проекта обычно включает:

  • NetworkManager
  • SnapshotBuffer
  • InputManager
  • PredictionSystem
  • ReconciliationSystem

Каждая сцена работает только с абстракцией состояния.

Типичные ошибки

1. Отрисовка последнего снапшота без буфера Результат — дёргание объектов.

2. Отсутствие history inputs Невозможно корректно выполнить reconciliation.

3. Использование server state напрямую в update() Приводит к конфликтам физики.

4. Отсутствие ограничения экстраполяции Объекты «улетают» при потере пакетов.

Комбинированная схема

В production-играх используется комбинация:

  • Client-side prediction — для локального игрока
  • Interpolation — для удалённых игроков
  • Extrapolation — как fallback
  • Reconciliation — для исправления ошибок

Такая модель применяется в шутерах, спортивных и гоночных играх.

Производительность

Важно учитывать:

  • минимизацию размера снапшотов
  • передачу только изменённых данных (delta compression)
  • использование бинарных протоколов
  • отказ от JSON при высокой нагрузке

Практический пример цикла кадра

Упрощённый поток:

  1. Phaser вызывает update().
  2. Обрабатывается локальный input.
  3. Применяется prediction.
  4. Интерполируются удалённые игроки.
  5. Обрабатываются входящие серверные состояния.
  6. Выполняется reconciliation.

Это позволяет создать ощущение мгновенного управления даже при задержке 100–150 мс.

Interpolation и prediction являются фундаментальными механизмами сетевых real-time игр. Их корректная реализация в архитектуре проекта на базе Phaser обеспечивает плавность анимации, отзывчивость управления и устойчивость к нестабильному соединению.

Оглавление