Labs与网易雷火出品 5G场景下的云游戏业务体验模型 华为X (labnetwork)
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。
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。
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。
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：
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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