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剖析5G云游戏技术瓶颈与机会

云游戏技术早在2000年就已在E3上被行业内知晓。19年后,在5G时代到来之际,云游戏为何一跃成为热门?今天,我们一起来聊聊云游戏的起源,以及当前云游戏技术方案的瓶颈和发展机会。希望对云游戏感兴趣的游戏业内人士有所帮助,让大家更加客观的了解云游戏,合理把握好云游戏的机会。

5G时代到来

2019年6月6日,工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照,意味着中国正式进入5G时代。具备高速率、低延时特性的5G,不仅会改变普通人的移动互联生活,更会让万物互联成为现实。

5G的频率更高、带宽更大、速度更快,缔造了5G主要有三大应用场景:

  • eMBB(Enhanced Mobile Broadband)增强型移动宽带,例如超高清视频、云游戏等,这也是普通用户可最直观感受到的;
  • mMTC(Massive Machine Type Communications)海量机器类通信,这也意味着5G终端不局限于智能手机,而是会扩展到PC、Pad、VR、AR、智能家居等产品;
  • uRLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications)超可靠、低时延通信,这种低延时的通讯可用于工业自动化、无人驾驶、云游戏等。

那么5G到底有多厉害,在网络传输速度上,5G使用28GHz毫米波频段,打造了理论传输速度超过10Gbps/s(注:bps指比特率,相当于文件下载速度1.25GB/s),用户终端传输速度理论值可达到1Gbps/s(相当于文件下载速度125MB/s),在ITU(国际电信联盟)定义5G的极限速率是20Gbps/s,网络中用户上限速率可为1Gbps/s。在网络层有另外一个比传输速度更重要的参数是网络时延,为了满足ITU所设置的uRLLC极高的可靠性和极低的时延要求,在5G的需求研究项目中的用户面KPI中针对uRLLC业务用户面时延定义了上行0.5ms和下行0.5ms的要求,加起来1ms的双向时延。根据初步测算,实际应用中,从用户到应用服务器的时延可控制在10ms左右,就意味着类似云游戏的应用可60FPS满帧运行,甚至VR也可达到90FPS运行。

4G时代缔造了视频、直播等领域蓬勃发展,5G的高速率、低延时特性能够推动哪些行业高速发展我们大家拭目以待,但是目前有目共睹的是5G时代必定会推动云游戏的蓬勃发展。

什么是云游戏?

提到云游戏,大家首先会想到依赖5G的传输速度,以视频流的方式将画面传输到终端设备上进行显示。

其实具有云服务器存储或者云计算的特性,依托于网络传输,在客户端即点即玩,感受不到下载和安装过程的都可以理解为云游戏,所以本文从用户体验的角度出发,将云游戏分为三种:HTML5云游戏、视频云游戏、指令云游戏。

HTML5云游戏

HTML5在2012年年底快速发展,各大主流浏览器纷纷支持HTML5标准,在游戏领域更是将HTML5、WebGL发挥的淋漓尽致。HTML5游戏以JavaScript语言执行,代码和资源全部放在云端WebServer上分布式下载,用户即点即玩无需安装,对于下载的过程也无感知。2017年底随着微信小游戏的推出,彻底解决了HTML5游戏二次入口的问题,并极大的优化了HTML5游戏的用户体验,随后百度、OPPO、VIVO、小米等公司都纷纷推出类似小游戏的业务,进一步推动了HTML5产业的发展,HTML5游戏引擎商主要为Layabox、Cocos、Egret三家,每个引擎都有各自的特点:

Layabox:唯一同时支持AS、TS、JS三种语言开发的引擎,国内HTML5-3D领域TOP1,在HTML5-3D领域 LayaAir引擎使用率占比超过90%;

Cocos:在App手游时代快速兴起,国内最早做开源引擎的公司,为App手游开发做出巨大贡献,随后发布HTML5引擎;

Egret:国内最早做HTML5引擎的公司,早期为国内普及HTML5做出巨大贡献。随着5G时代高速率、低延时的特性,必定会再次提高HTML5游戏的用户体验。

什么是视频云游戏

客户端游戏、App手游需要先下载、安装到本地,HTML5游戏虽然无需安装,用户对下载无感知,但本质都是将代码和资源先下载到本地,运行过程中的运算也是在本地完成的,运行效率取决于本地设备的硬件配置。视频云游戏是基于云计算技术,把游戏放到服务器上运行,服务器端接受终端设备的操作指令,计算完全由服务器的CPU、GPU来完成,然后以视频流的方式通过网络传送到终端(包括PC、PAD、手机等)进行显示。终端客户只要联网,哪怕是硬件配置要求高、运算量大的游戏也能顺利运行,如下图所示:

视频云游戏发展史

在2000年,来自芬兰的一家名为G-cluster公司在美国电子娱乐博览会(Electronic Entertainment Expo,简称E3)展示了视频云游戏的原始雏形,通过Wi-Fi将PC游戏传输到手持设备,尽管当时演示都是通过无线局网连接,但是整个过程仍然有延迟和卡顿现象,没有得到业界的关注。2005年,G-cluster通过塞浦路斯电信管理局的IPTV网络进行了首次试商用,但受限于当时的网络环境,以及G-cluster所提供的游戏内容,依然未能引起足够关注。

2009年游戏服务商OnLive,在旧金山游戏开发者大会(Game Developers Conference,简称GDC)上脱颖而出,成为展会上最大的亮点。2010年6月,OnLive 视频云游戏服务正式上线,与G-cluster 最大的区别在于Onive 在上线之初就解决了游戏内容这个十分重要的问题。平台不仅可以运行孤岛危机这样的3A 级大作,还拉来了EA、育碧、Take-Two、华纳兄弟等游戏厂商为其提供内容支持。尽管在本地局域网环境下OnLive 比G-cluster 有较大的进步,能够顺畅的运行游戏,但是由于受到当时网络限制,产品并没有取得成功。后OnLive被索尼公司收购,为索尼公司发布PlayStation Now奠定了基础。

视频云游戏领域的早期行业先锋几乎都成为了行业先烈,而且导致他们的业务走向失败的并不是市场的原因,而与计算机行业、通信行业、云服务行业在技术领域尚未成熟有着强相关性。

视频云游戏介绍

由于视频云游戏本质上是用终端(手机、PAD、VR等)连接远程云服务器,游戏中全部的计算都是由服务器的CPU、GPU来处理。所以,该技术方案会将所有用户终端的计算压力全部集中到云服务器处理,然后再以视频流方式回传用户终端显示。导致视频云游戏模式的服务器压力、硬件成本,甚至是网络带宽流量成本都是巨大的。视频云游戏服务先驱者OnLive十分看重玩家的游戏体验,并为此配备了成本高昂的服务器,它的一台服务器仅能同时服务于一名用户,承受着巨大的服务器成本。随着云服务行业、显卡技术的发展,目前云游戏产业也正在努力解决这些棘手的问题,利用的技术手段有:

虚拟化技术:将一台物理计算机切割成多台逻辑计算机供用户使用,多个用户之间共享同一台服务器资源并保持相互隔离,从而降低服务器成本。

MxGPU技术:云游戏不同于传统游戏,由于需要复杂的图形处理,所以对GPU依赖更强,GPU的性能直接影响到服务器的效率,随着近两年显卡的发展,AMD提出了虚拟化GPU解决方案-MxGpu,即每个物理GPU可同时支持16个远程用户。

视频编解码技术:云视频游戏对宽带的要求很高,本质上就是将服务器上的渲染好的完整游戏画面以视频流的方式推送给用户,为了节省传输流量,目前主流编码技术也从H264向H265标准普及,此外Intel、NVDIA以及AMD也都在推出硬件编码方案,提高执行效率。

目前国内外视频云游戏厂商有:

Nvidia-GeForceNow:Nvidia发明了GPU,重新定义了现代计算机图形技术,并彻底改变了并行计算,Nvidia做视频云游戏更是具有先天优势,无论在显卡并行计算、服务器承载、视频硬件编码等都占据了技术上的绝对优势。

Google-Stadia:Stadia平台用户可以在电脑、笔记本、手机、平板以及电视五个平台上通过网页玩游戏,并且可以随时切换,Google公司预打造Stadia、YouTube、Google助手三位一体。

Project xCloud:微软借助Xbox游戏推广视频云游戏,目前已经发售的 3000 多款游戏以及未来所有即将登陆 Xbox 的游戏都将支持该服务,内容为王的理念在视频云游戏领域将会占得更大先机。

PlayStation NOW:索尼公司和微软同一理念,支持PS4上的游戏云端化,就像PS和XBox竞争关系一样,PlayStation NOW再次和Project xCloud成为最大的竞争对手。

腾讯Start云游戏:除了国外的巨头公司布局视频云游戏,国内游戏巨头公司腾讯也推出自己的Start云游戏,凭借腾讯游戏在市场的份额以及腾讯云作为底层运算基础,在今年年初已开启预约内侧。

格来云游戏:由动视云科技推出的云游戏平台,目前注册用户已超过千万,平台中有很多类似鬼泣、最终幻想、怪物猎人等游戏大作。

指令云游戏

前面提到的HTML5云游戏、视频云游戏,这两种云技术是两个不同极端的解决方案。HTML5云游戏运行效果完全依赖于终端设备的性能,JS的执行效率在一定程度上限制了用户体验,特别是在iOS系统上如果使用了JavaScriptCore引擎,苹果公司禁止使用JIT功能,直接导致iOS系统JS运行效率低下。视频云游戏即使采用了服务器虚拟化、MxGpu等技术,想要达到传统游戏在线人数级别,服务器的成本仍然是巨大的。在网络传输层面,即使采用了H265以及硬件编码方式,网络传输压力仍然比较大,我们必须从实际出发考虑5G的真实网络传输值以及流量费用问题。

指令流云游戏是介于这两种极端方案的中间方案,将游戏运行在服务器端,所有逻辑通过云端进行运算,最终形成openGL或者webGL的渲染指令,再通过网络传输到终端设备,由终端设备将指令流进行解析、执行,充分利用了现有终端设备的GPU能力。

这种指令流云游戏的方案既能解决HTML5云游戏的JS运行效率,又能解决视频云游戏服务器显卡的计算压力以及网络传输问题,适合一些中等渲染效果的中重度游戏,例如一些手机App游戏王者荣耀、绝地求生等,原理如下图所示:

三种云游戏框架的差别

5G时代高速率、低延时的特性,势必会推进三种云游戏框架的高速发展,给用户带来更好的体验,终端设备也不仅局限于智能手机,而是会扩展到Pad、VR、智能家居等,但是三种框架在开发难度、游戏级别、服务器承载等有着一定的差别。

HTML5云游戏

视频云游戏

指令云游戏

游戏级别

轻、中度游戏

重度、超重度游戏

中、重度游戏

运行流畅度

依赖终端设备的性能

依赖网络条件

部分依赖网络条件、部分依赖设备显卡能力

服务器承载压力、服务器成本

网络流量消耗

云游戏时代分析

5G时代、云游戏时代即是机遇也是挑战,用户的移动终端设备不再是限制游戏体验的门槛,中等配置的移动设备也有可能运行次时代画面的游戏,移动游戏的品质将再创新高,用户将获得更好的游戏体验,在这背后势必又是一波游戏行业的洗牌。

云游戏对于云计算平台是一个非常好的机遇,如何给运营商提供高性价比的云计算服务是其中的关键,视频云游戏模式、指令云游戏模式后续可能就是提供购买云服务的一种选项,云计算平台直接把视频按照压缩最优的方式进行编码,或者在显卡驱动层直接把openGL、webGL指令流压缩,然后通过网络发送给终端设备,开发者无需多余的技术投入便可以把传统游戏转换为云游戏。

针对游戏开发商CP,要认清形势选择好适合自己的开发模式和项目,在视频云游戏模式下会有大量的次时代主机游戏会涌入市场,寡头公司的垄断会更加严重,由于大型次时代游戏开发成本、开发难度、服务器成本极高,中小型开发者的道路会更加艰难。

对于硬件层面会迎来GPU、游戏手柄、便携式VR、电视盒子等硬件的快速发展,GPU会加强并行计算能力从而提高服务器承载,游戏手柄和终端设备的结合解决游戏微操的问题,便携式VR和电视盒子也会成为玩家较为青睐的终端设备。

从游戏内容上,游戏将步入全面3D时代,经典主机游戏、PC游戏将会迎来第二春,单机游戏有望解决多年来未解决的版权问题,云游戏平台最终会出现内容为王的局面。

游戏引擎公司如何在云游戏时代发挥价值我们很早就开始思考,例如:

  • 视频云模式、指令流模式真的需要引擎公司的参与吗?这两种模式最终都会成为云计算厂商的标配服务。
  • 2D游戏真的需要视频云模式化吗?轻型小游戏真的需要视频云模式化吗?
  • 从目前布局的云游戏的公司来看,都有各自特点,在游戏内容、硬件技术、云计算服务或者流量平台具有一定优势的公司,引擎公司布局云游戏的优势有哪些?

经过思考,在云游戏时代,引擎商在3D开发框架将发挥着巨大的优势和价值,云游戏在如何提高开发效率、降低开发成本、提供次时代的画面效果以及超高的执行效率是对引擎是巨大的机遇和考验。云游戏开发会步入全新开发模式,打破传统的CS架构,Layabox引擎布局云游戏时代不会做云计算服务、也不会做云游戏平台,涉及方向仍然是基于LayaAir的3D优势,聚焦在3D游戏引擎研发、游戏框架上。

H5、视频流、指令流融合的云游戏引擎

LayaBox致力于引擎开发,旗下LayaAir引擎被公认为性能最优和3D引擎技术成熟,在HTML5-3D领域 LayaAir引擎使用率占比超过90%。

凭借LayaAir引擎的技术积累,Layabox全力推进新一代5G云游戏引擎,有效解决现有云游戏中某种单一方案的技术劣势与瓶颈。将HTML5、视频流、指令流的优势融合。最大可能性的降低云游戏运营的成本。Layabox打造的5G云游戏引擎有如下几个特点:

  • 支持传统视频流云游戏模式;
  • 支持指令流云游戏模式;
  • 支持将LayaAir引擎已有的项目发布成视频流、指令流的云模式;
  • 项目一次性开发可同时发布成H5版本、视频流云模式、指令流云模式;
  • 根据性能、网络情况,自动切换视频流模式、指令流模式;
  • 新开发项目结合LayaCloud引擎优势,打破传统游戏的C/S架构,全新游戏框架设计理念;
  • 结合LayaAir引擎3D的优势,实现次时代画面效果;
  • 全新的次时代游戏开发工具,提高开发效率,降低开发成本;
  • 开发工具中嵌入了大量美术资源,并可以根据需求调整美术风格,降低中小型团队的美术制作成本;
  • 结合LayaAir引擎3D的优势,全面支持VR(特别是便携式VR);
  • 支持多种操作方式,屏幕touch、键盘鼠标、游戏手柄、体感等;
  • 新开发项目兼容LayaAir3D引擎的所有文件格式,包括模型、动作、材质、场景等。

写在最后

从Layabox建立之初就秉承以技术为核心的理念,从技术上寻求发展和突破,在5G时代的大潮流下,Layabox仍然会秉承技术为核心打造下一代全新的5G云游戏引擎,推动产业发展,造福广大开发者。

The End

本文分享自微信公众号 - Layabox(layabox),作者:James

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-08-08

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