5G渐进,应用先行,云游戏就站在5G的下一个转角。综合目前已有的云游戏实践,华为 X Labs 和网易雷火游戏事业部合作出品了《云游戏体验模型(Cloud gMOS)》白皮书。

该白皮书描述了云游戏(Cloud Gaming)业务体验评估的需求背景,评估模型框架,主观实验与分析方法,模型公式结构,模型典型值和模型应用场景等。在建模过程中,华为 X Labs 和网易雷火游戏事业部对玩家在 5G 下玩云游戏的行为观察和反馈的基础上,遵从 ITU 相关规范,采用分级映射的方法,建立了
云游戏的用户体验模型。

模型弥补了业界对云游戏体验定量研究的不足。云游戏体验模型的建立为 5G 网络建设,产业发展规划提供一定的参考和指导,同时云游戏内容服务商、网络运营商和硬件制造商也可根据用户的实际体验来不断调整、优化服务和产品策略。

研究背景

云游戏(Cloud Gaming)是以云计算为基础的游戏模式,在这种模式下,游戏画面在云端进行计算和渲染,并将渲染完成的画面压缩后,通过网络传输给客户端。所以,客户端不再需要高端处理器、显卡、GPU等,仅需在本地拥有一定的流媒体解码、播放能力即可,这大大降低了用户获取优质游戏的门槛。

同样,在 5G 网络赋能下,在随时随地接入、类本地操作方面,将给云游戏用户的体验带来大幅提升,云游戏业务是重要的 Cloud X 业务之一。市场调查机构 IHS Markit 公布的数据表明,云游戏产业极具发展潜力。

华为X Labs与网易雷火出品:5G场景下的云游戏业务体验模型-中国科技新闻网

之前,对云游戏体验的研究主要集中在画面质量、连续/完整性等方面的初步定性分析,对交互质量、综合体验缺乏系统、深入的定量研究。

为了建立起完整的云游戏体验模型,华为X Labs联合网易雷火游戏事业部展开深入分析,在《逆水寒》、《流星蝴蝶剑》等游戏场景中,邀请测试玩家在5G环境下使用云电脑体验《逆水寒》等游戏,通过对玩家的行为观察和反馈总结,在遵从ITU相关规范的基础上,系统地进行主观实验。最终,在主观实验数据支撑下,训练并建立了统一的云游戏用户体验评估模型,从用户体验角度,为5G网络建设,产业发展规划提供一定的参考和指导。

体验评估模型框架

从用户可感知的角度,Cloud Gaming 和 Cloud VR 有相似之处,影响用户综合体验主要有 3 个方面,分别是视听质量、交互质量和视听的连续/完整性。云游戏体验评估模型框架可见图 2 所示,同样基于分级映射,分为影响因素输入层,子感知体验层和综合体验层。

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主观测试与分析方法

云游戏用户体验主观实验同样基于 ITU-T P.913,使用单刺激法和 ACR 5 分制。云游戏主观实验平台见图 3 所示,主要包括云电脑、网络损伤仪、客户端及其显示设备。主观实验平台,提供不同分辨率、帧率、画质的游戏内容,并在网络损伤仪器的控制下,提供不同画面完整性和操作响应时延的测试场景。

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具体说明如下:1.不同显示设备对用户体验的影响,通过 PPD 统一度量并建立相应评估模型。游戏画面可以通过显示器或者手机屏幕进行显示,在最佳观看距离下,将实际呈现在测试用户面前可感知的分辨率转换成PPD。一般而言,10寸以上显示屏幕,如一般显示器的最佳观看距离为显示屏幕高度的 2 倍,10 寸以下显示屏幕,如手机的最佳观看距离为显示屏宽度的 4-6 倍(在本次主观实验中,按对分辨率要求较高的 4 倍计算)。

以 32 寸 4K 显示器为例,等效 PPD 可根据图 4 所示关系计算,计算公式可为:

PPD = Ph/(2*arctan(W/2/D)*180/Pi)=80.47

其中,Ph 为水平像素数,W 为显示器宽度,D 为最佳观看距离(也即 2 倍显示器高度)。

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操作响应时延包括:
1. 指令数据采集时延; 2. 指令数据上行传输时延; 3. 指令接收,逻辑运算,图形渲染时延;
4. 抓取图形时延; 5. 图形编码时延; 6. 编码图形下行传输时延; 7. 图形解码时延;
8. 客户端渲染时延,包括解码后图形显存等待时延,色彩处理,图层叠加等环节时延; 9. 显示器显示时延。

模型公式结构

云游戏综合体验评估模型公式如下,在公式结构上,和VR体验评估模型保持一致,相关系数则根据实际测试结果进行拟合。

MOSC = min(max((MOSAV-1)·(1-v28(5-MOSI)-v29(5-MOSRP))+1,1),5)

式中,MOSC 为云游戏综合体验,MOSAV 为视听质量, MOSI 为交互质量, MOSRP 为视听觉连续 / 完整性, v28 和 v29
为模型系数。综合体验以视听质量 MOSAV 为基础, 交互质量 MOSI 和连续 / 完整性 MOSRP 则作为体验损伤的子感知项。

  • MOSV = f1(Visual Codec,Br,FR,(Rh,Rv)) ;

  • MOSA = f2(Audio Codec,ABr,SP) ;

  • MOSAV = f3(MOSV,MOSA,tasvn) ;

  • MOSI = f4(tod) ;

  • MOSRP = f5(Tr,RF,ppl)。

模型典型值

1. PPD对画面质量 MOSV 的影响典型值
基于H.264编码,BPP 为0.133,帧率120fps的条件,PPD 对画面质量 MOSV 的影响典型值,见下图6所示。可以看到,PPD 为20时,画面质量 MOSV 约为3.57分;PPD 为60时,画面质量 MOSV 约为4.73分,PPD 大于60后,画面质量 MOSV 增长变得平缓。

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2. 分辨率在最佳观看距离下对画面质量 MOSV 影响的典型值基于 H.264 编码,BPP 为 0.133,帧率 120fps的条件,在显示器上观看不同分辨率的画面,其对画面质量 MOSV
的影响典型值,如图 7 所示。在高帧率情况下,1080P的游戏画面,即可对应较高的PPD,MOSV 为 4.5 分。

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3. 帧率对画面质量 MOSV 的影响典型值
基于 H.264 编码,BPP 为 0.133,PPD 为 120 的条件,帧率对画面质量 MOSV 影响的典型值,见下图 8 所示。帧
率为 30fps 时,画面质量 MOSV 约为 3.35 分;帧率为 60fps 时,画面质量 MOSV 约为 4.41 分;帧率为 90fps 时,画
面质量 MOSV 超过 4.80 分。帧率超过 90fps 后,画面质量 MOSV 的增长趋势趋于平缓。

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4. 操作响应时延对交互质量 MOSI 的影响典型值
游戏操作响应时延低于 50ms 时交互质量 MOSI 达到 5 分;操作响应时延 100ms 时,交互质量 MOSI 为 4.03 分。
当操作响应时延为 200ms 时,交互质量 MOSI 为 2.92 分。

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5. 数据丢失率对完整性 MOSP 的影响典型值
不同的数据传输模式,有着不同的数据丢失率和画面完整性的关系模型。基于 TCP+RTP 传输模式,TCP 丢包率
对完整性 MOSP 的影响典型值,如下图 10 所示。当 TCP 丢包率为 0.1% 时,视听完整性 MOSP 为5分;当丢包率为
0.3% 时,视听完整性 MOSP 为 3.68 分;当丢包率为 1% 时,视听完整性 MOSP 为 1.14 分。

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模型应用

基于如下条件,云游戏在不同显示设备和网络条件下的体验对照表,可见表 4 所示。
1) 基于 H.264 编码,BPP 为 0.21。
2) 10寸以上显示屏幕(大屏),如显示器,最佳观看距离按显示器高度 *2 计算,10 寸以下显示屏幕(小屏),如手机屏幕,最佳观看距离按显示屏宽度 *4 倍计算(在推荐最佳观看距离下,只要屏幕高宽比合乎常规,在不同尺寸的大屏上观看相同分辨率的游戏画面,可获得相同的等效 PPD,小屏也如此)。
3)数据传输对视听完整性没有影响。
4)音频编码算法:AAC-LC,音频固定码率:140Kbps。

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根据上表,我们可以观察云游戏产业发展的现状,并规划未来的产业发展路径:
1)720P 或 1080P,帧率30fps,是目前主流云游戏平台可提供的游戏画面水平。游戏画面无论基于手机屏幕还是显示器呈现,综合体验 MOSC 在 3.2 至 3.5 分之间,处在刚超过“可接受”的水平;

2)5G 云游戏,建议从 1080P@60fps 起步,对标专业玩家使用本地电脑的体验水平。大部分场景下(操作响应时延
70ms),手机可以追求 4 分体验;

3) 对于大屏,当游戏画面分辨率为 2K(2560*1440),帧率 60fps,操作响应时延 50ms 时,综合体验MOSC 可
达 4.29 分,用户体验达到“好”的水平,可作为未来 2 年后挑战目标;

4) 当游戏画面分辨率 4K(3840*2160),帧率 60fps,操作响应时延 50ms 时,综合体验 MOSC 接近 4.5 分,可
作为长期挑战目标。
当前云游戏体验现状与产业发展路径建议,可见图 11 所示。

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结束语

在5G时代,云游戏产业必将取得长足发展。借助体验评估模型,云游戏内容服务商、网络运营商和硬件制造商可根据用户的实际体验来不断调整、优化服务和产品策略,有效提高竞争力。最后,为了加强产业合作,华为XLabs将评估模型算法以免费SDK形式发布和共享。

附出品方介绍:

Wireless X Labs是一个全新的平台,旨在将电信运营商、技术供应商和垂直行业的合作伙伴聚集在一起,探索未来的移
动应用场景,推动业务和技术创新,建立一个开放的生态系统。Wireless X Labs建立了三个实验室,探索三个主要领
域:人与人之间的连接,垂直领域的应用和家庭应用。

2007年,雷火游戏在西子湖畔成立,是网易在杭州的第一个游戏工作室。历经十多年发展,雷火游戏已是拥有近两千名员工的事业群,具备国内一流研发、运营、营销实力。雷火团队先后成功开创《倩女幽魂》、《天谕》、《逆水寒》三大旗舰游戏品牌,在动作、体育、休闲游戏领域做出成功尝试。

雷锋网注:已获华为许可转载。雷锋网雷锋网(公众号:雷锋网)

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