實時游戲中網絡延遲對體驗質量的影響

徐積文,張永棠,2

(1. 廣東東軟學院計算機學院，廣東 佛山 528225; 2. 南昌工程學院江西省協同傳感與先進計算技術研究所，江西 南昌 330003)

0 引 言

在網絡實時游戲中，受網絡延遲、延遲抖動和數據丟失等互聯網服務質量（quality of service,QoS）的影響，將嚴重降低玩家終端的3D虛擬空間的體驗感。

網絡實時游戲可操作性與公平性的平衡關系引起了很多研究者的關注。例如，文獻[1]使用3D虛擬空間中的硬對象研究網絡延遲對公平性的影響。在3D虛擬空間中處理了一種網絡化實時游戲，其中兩個玩家通過操縱其觸覺接口設備，試圖用其對象（一個剛性立方體）競爭性地包含一個目標（一個球體）。評估結果表明，當玩家之間的網絡延遲差異大于約30 ms時，玩家會感到不公平。同時，在文獻[2]研究了在水果收獲游戲中，兩個玩家在3D虛擬空間中玩時，到達玩家所需的時間對公平性的影響。在游戲中，3D虛擬空間中所有的水果對象都是硬的。結果表明，當時間小于500 ms時，公平性幾乎不受影響。

然而，在文獻[1-2]中，由于僅研究了公平性，所以不清楚觸覺接口裝置的可操作性與玩家之間的公平性之間的關系。文獻[3]提出要通過體驗質量（quality of experience,QoE）評估來詳細研究可操作性和公平性之間的關系，在該評估中，應該評估綜合質量（即可操作性和公平性的加權總和）以檢查哪個QoE具有對綜合素質的貢獻更大。此外，還應該分析每個終端應設置多少本地滯后，以保持盡可能高的綜合質量。例如，如果公平性對綜合質量的貢獻較大，則如自適應 ?因果控制，通過調整終端向時序最慢的終端輸出時序，可以保持較高的綜合質量[3]。然而，在目前的文獻中，沒有相關工作來研究網絡延遲對QoE的影響，尤其是在虛擬環境中，對于軟物體的可操作性和公平性。文獻[4]僅對硬物體進行了研究，發現隨著網絡延遲的增加，物體變得越來越重。即，它們的特性由于網絡延遲而改變。軟物體的特性可能以與硬物體相同的方式改變；例如，隨著網絡延遲的增加，它們變得越來越難，但尚不清楚特性如何變化[5]。

本文構建了一個氣球爆破游戲系統測試模型，通過玩家測試對軟物體進行QoE評估，研究網絡延遲變化實時游戲的影響，求解網絡實時游戲的可操作性和的公平性的平衡。

1 測試模型描述

1.1 系統配置

氣球爆破游戲的系統配置如圖1所示。在三維虛擬空間中，兩名玩家（玩家1和玩家2）各自用自己的觸控筆爆破氣球，兩名玩家相互競爭爆破氣球的數量。該系統由C1、C2兩個終端組成，每個終端包含1臺PC、1個觸覺接口設備、1個顯示器和1個耳機。每個終端的播放器使用觸覺接口設備在虛擬空間中移動虛擬觸控筆。當玩家用觸控筆觸碰氣球時，通過觸覺接口裝置感知到反作用力，玩家能感受到氣球的柔軟。當玩家用觸控筆推動氣球時，氣球會變形。如果玩家用力推氣球，氣球就會嚴重變形，氣球就會爆裂消失。然后，玩家通過耳機聽到爆裂的聲音。

圖1 氣球爆破游戲的系統配置

1.2 游戲方法

在3D虛擬空間中有4個氣球。玩家1在虛擬空間的左側交替爆破2個氣球，而玩家2在右側爆破2個氣球。此目的是為了避免在2個終端同時爆破同一氣球。如果兩個玩家都試圖同時爆破氣球，使用倒計時協議[6]確定哪個玩家比另一個用戶更早爆破氣球。在游戲開始之前，玩家可以通過將測針放置在各自的原始位置來做好準備（參見圖2(a)）。當屏幕上顯示“START”（開始）消息并發出蜂鳴聲時，玩家開始爆破氣球（參見圖2(a)）。在游戲過程中，屏幕上會顯示兩個玩家的爆破氣球數量（請參見圖2(b)）。游戲開始后30 s，當屏幕上出現“GAME OVER”消息時，玩家停止游戲（見圖2(c)）。蜂鳴器的聲音還會提醒玩家此時停止游戲。一個氣球爆破的玩家比其他玩家贏球；玩家2在圖2(c)中獲勝。當氣球破裂并消失時，新氣球會自動出現在破裂氣球的位置。兩名玩家都試圖從氣球的正面盡可能快速爆破各自的氣球。

圖2 虛擬空間圖像

1.3 計算反應

施加到觸覺界面上的反作用力由觸覺渲染引擎生成，該引擎使用對象形狀和材料屬性（例如剛度和摩擦力）計算反作用力[7]。在圖3中，繪制了4種情況下的反作用力、穿透深度和氣球體積與爆破耗間的關系圖。

圖3 氣球反作用力、穿透深度與體積的關系

在標準球囊情況下，球囊三維軸（x、y和z）的半徑分別為11 cm、15 cm和11 cm，其中假定觸控筆測針的長度為10 cm。在小氣球的情況下，使用半徑分別為0.5 cm、1 cm和0.5 cm的氣球。硬氣球箱和軟氣球箱中的氣球分別比標準氣球箱中的硬或軟兩倍，氣球的大小與標準氣球箱的大小相同。爆破耗時被定義為從氣球表面被觸筆接觸到氣球破裂的瞬間之間的時間間隔。

在虛擬空間中，可以根據氣球體積、觸筆推動力兩種方法判斷氣球爆炸。在本文的評估中，為了簡單起見，使用了一種當氣球體積達到閾值時氣球爆裂的方法。當氣球的體積小于閾值時，氣球會爆炸。本文將閾值設置為氣球初始體積的90%。

2 測試方案

將兩個實驗終端通過網絡仿真器（NIST net）[8]相互連接，該仿真器用于代替圖1所示的網絡。網絡仿真器為終端之間傳輸的每個數據包生成額外的恒定延遲。假設從終端 C1到 C2的恒定延遲為 ?1，從C2到C1的恒定延遲為 ?2。把 ?1的本地滯后稱為L1，?2的本地滯后稱為L2。在相同的延遲情況下，從C1到 C2的恒定延遲總是等于相反方向的恒定延遲。在不同的延遲情況下，從 C1到 C2的恒定延遲可以不同于相反方向的恒定延遲。

2.1 相同的延遲情況

在這次測試中，只研究了網絡延遲對觸覺接口設備可操作性的影響。沒有研究玩家之間的公平性，因為當終端之間的網絡延遲值相同時，公平性是完美的[9]。為了關注網絡時延與觸覺接口設備的可操作性之間的關系，在本例中只使用了 C1。將本地滯后稱L1設置為與 ?1相同的值。對16名年齡在20～30歲之間的玩家（男性和女性）進行了QoE評估。每名玩家在每次評估前將持續延遲設置為0 ms的條件下練習約2 min。在測試中，每名玩家交替擊破位于虛擬空間左側的兩個藍色氣球。當氣球破裂時，總會自動出現一個新的氣球。為了研究網絡延遲對不同類型氣球的影響，使用第1.3小節中描述的4種氣球進行了4次評估。根據氣球類型，這種情況下的測試分別稱為標準氣球測試、小氣球測試、硬氣球測試和軟氣球測試。

在每次測試中，將每個玩家的延遲從0 ms隨機順序更改為500 ms，間隔為50 ms。測試順序也按隨機順序為每個玩家選擇。玩家用觸控筆連續引爆氣球30 s。每次觸刺后，根據五級損傷量表（5. 不可察覺；4. 可察覺，但不令人討厭；3. 稍令人討厭；2. 令人討厭；1. 非常令人討厭）來判斷是否容易爆裂。通過平均所有玩家的得分，得到了平均意見得分（mean opinion score，MOS）[10]。采用爆破氣球的數量作為客觀評價指標。每個用例的總評估時間約為每個玩家20 min。

2.2 不同的延遲情況

在這種情況下，進行了QoE評估，以明確網絡延遲對可操作性、公平性和綜合質量的影響。在評估中，兩名玩家一起玩氣球爆破游戲。評估前，每對玩家在延遲 ?1=?2=0 ms的情況下，玩3次氣球爆破游戲，以適應游戲；也就是說，為這對玩家提供相同的條件。通過練習，每個玩家都知道如何使用觸覺接口設備來爆破氣球。在這種情況下，通過設置延遲 ?1至0 ms或200 ms，設置延遲 ?2至50 ms、100 ms、200 ms、300 ms或 500 ms進行評估。對16名年齡在20～30歲之間的玩家（男性和女性）進行了QoE評估。

將 ?1設置為0 ms和200 ms的評估分別稱為P1和P2。為了了解兩個終端的本地滯后值對可操作性和公平性的影響，通過將本地滯后L1和L2設置為不同的值來進行評估。以50 ms為步長時間將L1從0 ms改為500 ms，將L2設為與 ?2相同的值。在每次評估中，延遲和本地滯后的組合順序是隨機變化的。每次觸刺氣球需要30 ms。在每次觸刺后要求玩家根據定義五級損傷量表（5. 聽不清；4. 聽不清，但不煩人；3. 稍微煩人；2. 煩人；1. 非常煩人）[11]，對可操作性、公平性和綜合質量（即可操作性與公平性的加權和）做出判斷。在每一次觸刺中，如果兩玩家在勝利或失敗的結果上與練習中幾乎相同，那么他們就會認為公平程度很高，并將得分定在5分。玩家給每次觸刺打1～5分。通過對玩家的得分進行平均，得到了MOS。采用爆破氣球的數量作為客觀評價措施，每次評估的游戲總時間約為每對玩家2 h。

3 測評結果

對相同延遲和不同延遲兩種情況分別做了100次評估實驗，置信區間為95%。下面對測評結果進行分析。

3.1 相同延遲情況

圖4(a)展示了4種評估的可操作性與延遲?1的MOS值。由圖可知，所有評估的MOS值都隨著?1的增大而減小。這是因為終端 C1的本地信息被緩沖了一段 ?1的時間，因此，由于互動性降低，每個玩家都感覺氣球越來越硬，越來越滑，很難把氣球爆破。從圖中還發現，當 ?1≥100 ms時，小氣球評估的MOS值小于其他情況。原因是，當延遲較大時，為了不從小氣球上滑下，玩家操作觸控筆比較困難。從圖中可以看出，當 ?1≤150 ms時，MOS值大于3.5。這意味著，對于小于或等于150 ms的網絡延遲，QoE的惡化是允許的。

圖4 相同延遲下4種氣球的評價

圖4(b)展示了爆破氣球的平均數量與 ?1的關系。由圖可知，隨著 ?1的增加，所有評估中氣球破裂的平均數量都變小。還可以看出，在軟氣球評估中，平均爆球數是最高的。在硬氣球評估中，當?1<250 ms時 ，爆破氣球的平均數量最小；當?1>300 ms時，小氣球評估中爆破氣球的數量最小。

3.2 不同延遲情況

3.2.1 主觀評價結果

圖5展示了終端的本地滯后與可操作性MOS值的關系。在圖5(a)可以看到，在相同的延遲情況下,C1的所有 ?2的可操作性MOS值都隨著L1的增加而減小。這是因為 C1的本地信息緩沖時間為L1，因此，由于互動性降低，每個被測試用例都感覺氣球越來越硬，越來越滑，很難把氣球爆破。由圖5(b)可知,C2處的MOS值與L1關系不大，主要依賴于?2或L2。這是因為C2的本地信息被緩沖了一段時間的?2。

圖5 不同延遲Δ2下終端的可操作性和公平性評價

在圖5(c)和圖5(d)中，注意到 ?2所有值的公平性MOS值隨著L1的增加而增加。這是因為當L1和L2的絕對差變小的時候，每個玩家都強烈地感到公平。

通過比較圖5(a)和圖5(c)，可操作性的MOS值與 C1的公平性之間存在權衡關系。也就是說，隨著L1的增加，可操作性的MOS值變小，但公平性變大。此外，從圖5(b)和圖5(d)中可以看到C2的可操作性MOS值幾乎沒有變化，但公平性的MOS值變得更大。

為了求解兩個終端本地滯后的最優值，計算了兩個終端的平均MOS值，如圖6所示。在圖6(a)中可以看到，兩個終端的可操作性的平均MOS值隨著L1變大而減小。此外，還發現 ?2=50 ms時，具有最高的MOS值；而 ?2=500 ms時 ，對于L1的每個值具有最低的MOS值。在圖中注意到，對于 ?2的所有值，當L1變大時，平均MOS值增加。從兩個終端的平均MOS值進一步證實了可操作性MOS值與公平性MOS值之間存在權衡關系。從圖6(b)中還觀察到，當本地滯后差的絕對值|L1?L2|≤ 75 ms時，MOS值大于3.5。因此，允許滯后的范圍約為75 ms。這種本地滯后差的允許范圍，可能有助于只關注公平性的網絡應用。因此，將L1和L2分別設置為 ?1和 ?2的相同值，可以求得本地滯后的最優解為網絡延遲絕對差的允許范圍約小于或等于75 ms。

圖6 不同時延Δ2下兩終端間的評價

圖7(a)和圖7(b)展示了C1和C2的綜合質量MOS值，圖7(c)展示了綜合質量的平均MOS值。從圖7(a)可以看出,C1處 ?2所有值的綜合質量MOS值幾乎不依賴于L1。在圖7(b)中發現，當 ?2為50 ms或100 ms時，MOS值幾乎不依賴于L1。對于Δ2的其他值，MOS值隨著L1的增大而增大。從圖7(c)中可以看到，當 ?2=50 ms時的平均MOS值幾乎不依賴于L1。對于 ?2的其他值，隨著L1變大，平均MOS值趨向于略微增加。當 ?2=100 ms時 ,L1的最佳值約為 75～100 ms。當 ?2為 200 ms、300 ms或 500 ms時,L1的最佳值分別約為125～200 ms、225～300 ms或425～500 ms的范圍內。

圖7 不同延遲Δ2下綜合質量評價

從圖7(a)和圖7(b)中，可以看出公平性的貢獻大于可操作性對綜合質量的貢獻。從圖7(c)中還可以看出，設置合理的本地滯后可以提升兩個終端的綜合質量。如果終端之間的網絡延遲差約小于或等于50 ms，則L1和L2應分別設置為?1和?2的相同值。當差值約大于50 ms時，為簡單起見，可以像自適應?因果控制中一樣，將本地滯后設置為終端之間網絡延遲的較大值。

3.2.2 客觀的評估結果

圖8展示了 C1和 C2爆破氣球的平均數量，以及爆破氣球數量的平均差異，并且繪制了95%的置信區間。

圖8 不同延遲Δ2下爆破氣球數量

在圖8(a)中，看到 C1的平均爆裂氣球數量隨著L1的增加而減小。在圖8(b)中，發現 C2的平均爆裂氣球數量幾乎不依賴于L1。通過將圖8(a)和圖8(b)分別與圖5(a)和圖5(b)進行比較可以得出，隨著每個 ?2的平均爆裂氣球數量變小，可操作性的MOS值降低。圖8(c)顯示隨著L1的增加，爆裂氣球數量的平均差異變得更小。這是因為隨著L1的增加，兩個終端之間的本地滯后差變小。通過將圖8(c)與圖5(c)或圖5(d)進行比較，看到曲線的趨勢相反。也就是說，對于 ?2的每個值，當爆裂氣球數量的平均差最小時，可以獲得最高的MOS值。

3.2.3 客觀與主觀結果的關系

通過比較客觀結果和主觀結果，發現它們相互關聯。為了研究爆破氣球的平均數量（或本地滯后）與可操作性的MOS值之間的關系，進行回歸分析[12]，得到了兩個評估的兩個終端的估計方程（如表1所示）。在表中,OMOS表示可操作性的估計MOS值,Nburst是爆破氣球的平均數量，?是本地滯后,R2是根據自由度調整的貢獻率，顯示了與估計方程的擬合優度。由于表1中的貢獻率很高，表明可操作性的MOS值可以從平均爆破氣球數或本地滯后來估計，并且具有很高的精度。

表1 可操作性MOS的估計方程

此外，應用回歸分析，研究了公平性的MOS值與爆破氣球數量平均差的絕對值之間的關系，以及公平性的MOS值與本地滯后差的絕對值之間的關系。獲得了兩種情況下兩個終端的方程（如表2所示）。在表中,FMOS是估算的公平性MOS值，DNburst是破裂氣球數量的平均差,D?是本地滯后差，貢獻率R2很高。因此，可以根據爆破氣球數的平均差的絕對值或本地滯后差的絕對值來高精度地估計MOS的公平性。同時，根據表3中所示的高貢獻率，其中CMOS是綜合質量的估計MOS值。

表2 公平性MOS的估計方程

表3 綜合質量MOS的估計方程

此外，檢驗了兩個終端的平均MOS值與客觀結果之間的關系。可操作性平均MOS值的估計公式如表4所示，其中AOMOS是可操作性的估計平均MOS值,Nburst1是 C1的平均爆破氣球數,Nburst2是C2的平均爆破氣球數。從表中注意到，由于表中的貢獻率R2很高，可操作性的平均MOS值在很大程度上可以從兩個終端的爆破氣球的平均數量來估計。還發現平均MOS公平值的估計公式與表2中的公式幾乎相同。這意味著平均MOS公平值可以由爆破氣球數的平均差的絕對值或本地滯后差的絕對值來實現高精度估計。綜合質量平均MOS值的估算公式如表5所示，其中ACMOS是綜合質量的平均MOS值,?1是C1的本地滯后,?2是C2的局部滯后。根據表5所示的高貢獻率，綜合質量的平均MOS值可以從兩個終端的平均爆球數和爆球數平均差的絕對值，或者從兩個終端的本地滯后來估計。

表4 可操作性平均MOS的估計公式

表5 綜合質量平均MOS的估算公式

4 結束語

本文通過主觀和客觀的QoE評估，研究了在具有觸覺的網絡虛擬環境中，網絡延遲對球囊爆破游戲的可操作性和公平性等QoE的影響。本文發現觸覺接口設備的可操作性在很大程度上依賴于本地滯后。并且，可操作性取決于從本地終端到另一終端的網絡延遲。可以觀察到，隨著網絡延遲的增加，游戲中的軟物體變得更硬、更滑。此外，驗證了玩家之間的公平性取決于終端之間的網絡延遲差異或終端之間的本地延遲差異。進一步證實了可操作性與公平性之間存在著權衡關系。可以通過在每個終端上設置本地滯后的值，實現可操作性和公平性的最優化。當終端之間的網絡延遲的絕對差約小于或等于50 ms時，可以將每個終端的本地滯后設置為與從本地終端到另一終端的網絡延遲相同的值。當差異約大于50 ms時，可以將本地滯后設置為終端之間較大的網絡延遲值。

此外，還研究了主觀和客觀評估結果之間的關系。可操作性的MOS值可以由爆破氣球的平均數或本地滯后來估計，具有較高的精度；公平性的MOS值可以由爆破氣球數的平均差或本地滯后差的絕對值粗略估計。綜合質量的MOS值可以從爆破氣球的平均個數和爆破氣球個數平均差的絕對值來估計，也可以在很大程度上從本地滯后和本地滯后差的絕對值來估計。

未來的工作將在爆破氣球游戲中，對爆破氣球的其他判斷進行QoE評估。例如，當施加在氣球上的力達到閾值時，氣球可能會爆。還要將該結論應用到其他網絡實時游戲中，確認可操作性和公平性之間的權衡關系，通過設置本地延遲確定兩個終端的綜合質量MOS值是否可以保持較高。這對未來互聯網上網絡實時游戲的研發具有一定的參考價值。