一文读懂“云游戏” | 游戏力

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  随着Google在今年游戏开发者大会(GDC)上发布云游戏平台Stadia以来,云游戏受到了前所未有的关注。然而就像2015年突然到来的人工智能浪潮其实已是人工智能的第三次爆发一样,云游戏概念的提出至今已有至少近20年历史了。

  那么,云游戏是什么?它经历了哪些发展过程?存在哪些技术门槛?它对产业有什么样的影响?

  且容本文一一道来:

  什么是云游戏?

  对于游戏行业或游戏本身不了解的人来说,初次面对云游戏可能会有一个疑问——除了单机f游戏,现在所有游戏不都联网玩么?云游戏和网络游戏有什么区别?

  实际上,同为“在线游戏”,云游戏与网络游戏的运行方式截然不同。

  对于传统的网络游戏而言,玩家需要先将游戏客户端事先下载安装储存在本地硬盘中,运行过程中的运算也是在本地完成的,其运行速度、画面效果取决于本地电脑的硬件配置。通过互联网,本地客户端接收到的是一同进行游戏的其他玩家的信息,如位置、状态以及实时的操作等。在网页游戏和小游戏中,尽管表面看起来没有“下载”这一过程,但实际上在游戏打开时也会将游戏所需的资源和运算逻辑“加载”到本地,然后再开始运行。

  而云游戏则不同,它不需要下载或加载资源到本地设备。

  云游戏从概念上来说其实十分简单,就是基于云计算技术,把游戏放到服务器上运行,而游戏渲染出来的的视频画面,通过网络传送到终端(包括PC、机顶盒、移动终端等)。如此一来,终端客户不需要下载、安装游戏,只要连接互联网,哪怕是硬件配置要求高、运算量大的游戏也能顺利运行。

  用一个通俗的比方,云游戏就像是玩家在使用一台显示器和键鼠连接线特别长的电脑,玩家面前的只有显示器、鼠标和键盘,而显示器、键盘鼠标连接了一个远在千里之外的计算机。

  由于本地设备上不需要安装游戏,所以各终端设备都可以运行各类游戏,不再需要游戏对软硬件的适配、终端的性能要求等以往困扰游戏玩家的问题。因此,云游戏最大的优势在于能够打破各种终端限制的壁垒,在手机上可以玩到电脑、主机游戏,在电脑上也可以玩到主机、手机游戏。

  而云游戏客户端的作用仅限于数据的发送、接受以及游戏画面的呈现,游戏的储存与运行都是在云端服务器上完成的。在进行游戏时,玩家操作客户端向云端发送数据,云服务器根据操作运行游戏,将游戏画面编码压缩,通过网络返回客户端,最后客户端进行解码并输出游戏画面。

  

  云游戏的好处也显而易见:首先,云游戏不必再依赖于本地硬件(尤其是CPU和显卡),只需具备基础的视频解压能力,以及输入设备(键鼠或者手柄等)和输出设备(显示器)即可;其次,开发平台也不用担心玩家侧硬件性能, 可以开发更高质量的内容;此外,云游戏还能节省本地游戏版本更新时间,长远来看也能节省硬件迭代升级成本等。

  云游戏的发展史

  既然云游戏有如此众多的好处,那么为什么我们没有早早地用上云游戏技术呢?

  事实上,不是不想,而是不能。

  云游戏从概念提出到此次巨头抢滩登陆之间差了20年,而这20年云游戏的发展几乎伴随着计算机、通讯和云计算三大行业的发展史。

  云游戏这一概念,最早来自芬兰的一家名为G-cluster的公司。

  早在2000年,该公司在美国电子娱乐博览会(Electronic Entertainment Expo,简称E3)展示了云游戏的原始雏形——通过Wi-Fi将PC游戏传输到手持设备。为什么不是手机……因为2000年还没有大屏幕手机呢。

  根据当时的媒体报道,尽管展示时游戏PC和客户端屏幕通过本地无线局域网连接,但这个展示过程仍然有明显的延迟与卡顿。在当时,这项技术就像是早期的蒸汽机车——跑的比马车还慢——没有受到业界的关注。

  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,但受限与当时的网络环境,以及G-cluster所提供的游戏内容,依然未能引起足够关注。

  云游戏第一次进入大众视野,是在2009年旧金山游戏开发者大会(Game Developers Conference,简称GDC)上。

  当时,成立 6 年有余的云游戏服务商 OnLive 进行了相当成功的现场展示,成为展会上最大的亮点。2010年6月,OnLive 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。

  结果你大概也猜到了,尽管在本地局域网环境下 OnLive 比 G-cluster 有较大的进步,能够顺畅的运行云游戏。但在当时的美国全国平均家庭带宽只有 9.54Mbps 的大环境下,OnLive 服务在正式上线后便收获一票差评,最终这款产品因付费用户太少而流产。

  

  在OnLive开创商用云游戏的先河之后,主流游戏厂商开始进入云游戏领域。

  索尼在先后收购了Gaikai和OnLive两家公司的核心技术之后,于2014年发布了云游戏服务PlayStation Now。但当时的PlayStation Now服务仅供PS4用户使用,并且平台只提供在该主机上不兼容的PS3游戏。

  由于即使到了 2014 年,世界各地的互联网接入速度也不那么乐观,因此索尼除了推出可以远程(玩家本地不需要 PlayStation 游戏机)的 PlayStation Now 之外,索尼还推出了主打本地进行串流的 Playstation Remote Play 功能——即显示、控制设备与远程运算设备在同一局域网内。

  

  简单来说,就是以前的 PlayStation 玩家要想玩游戏,需要把 PlayStation 游戏机接上电视,然后端坐在电视机前用手柄玩游戏。而PlayStation Now则允许玩家躺在床上,用自己的手机作为现实和控制设备与自己的PlayStation游戏机连接进行游戏。这与 PlayStation Now、Google 和腾讯发布的云游戏在技术上有共通点,但应用方式上并不相同,是云游戏技术在网络环境不好时代的一种主要应用模式。

  2015年,NVIDIA推出了基于云服务器的游戏流媒体服务GeForce NOW,在发布之初就支持60余款游戏。基于自身强大的技术能力,GeForce NOW的游戏画面可以达到1080P的分辨率与每秒60帧,相比PlayStation Now的720p和30帧有了巨大的提升,但对网络条件的要求仍极为苛刻——至少需要50Mbps带宽。此外,GeForce NOW仍然受到终端的限制,只支持自家的SHIELD系列产品(包括台式、平板掌机3个型号)。

  在这一时期,游戏大厂虽然拿出了相较早年更为成熟的云游戏服务方案,但尚未打破终端的限制。

  近一两年来,云游戏的发展更进了一步。

  PlayStation Now和GeForece NOW服务先后开始支持PC端,迈出了跨越终端的第一步。

  2018年10月,谷歌宣布推出Project Steam(流媒体计划,今年3月更名为Stadia)。用户甚至不需要下载云游戏的平台,也不受终端限制,只需要通过Chrome浏览器就可以畅玩各类3A级游戏大作。即便更换电脑,游戏体验和存档也可以顺畅继承,宛如将大型主机游戏“页游化”了。

  同年同月,微软发布了基于Xbox的云游戏服务“Project Cloud”,这项服务将允许Xbox One游戏在电脑、手机以及平板上游玩,并将于2019年进行公测。

  2019 年 3月,游戏开发者大会 GDC 上,在 Google 宣布其云游戏平台 Stadia 的同时。腾讯也开启了云游戏平台 Start 的内测邀请,向上海和广东的资深玩家开放预约体验。以“让好玩触手可及”为愿景,借助腾讯云的海量基础资源,目标给庞大的国内玩家群体提供更便捷的游戏体验。面向B端用户,腾讯还推出了CMatrix云游戏方案,针对Android云游戏提供专业性技术解决方案,为第三方游戏企业提供云游戏平台技术,快速云游戏应用场景落地。

  此前,腾讯还联手英特尔推出了腾讯即玩云游戏平台,与外国云游戏厂商主攻大型端游不同,腾讯即玩主打云手游,填补了这一领域技术与市场的空白。

  可以说,经过诸多厂商早年不成功的尝试,随着玩家进行游戏的场景逐渐多样化,加之5G的日益成熟,云游戏的发展正步入正轨。

  云游戏发展背后的黑科技线索

  看完云游戏的历史,你应该也发现了,云游戏领域的早期行业先锋后来都成为了行业先烈。而且导致他们的业务走向失败的似乎并不是市场或是自身技术的原因,而与计算机行业、通信行业、云服务行业三个上位技术领域尚未成熟有着强相关性。

  作为一种依赖于云计算的游戏服务,云游戏与其他云服务有类似之处,但也不乏自身特性,其对技术的需求主要分为服务器端和网络传输两个方面。

  那么,对于云游戏来说究竟哪些技术是重要的呢?

  承接上文“一台主机放的很远,显示器放的很近”的比喻,云游戏解脱了玩家手里的设备(最简情况下只需显示器),但对对远端的主机(服务器)和中间的连接线(通讯技术)三个地方都有很高技术要求。

  放在远处的主机(服务器端)

  CPU和GPU

  如果你对计算机行业少有了解,一定注意到了在上文提到各类云游戏服务中,只有NVIDIA英伟达的“画风最为奇特”。因为在大多数人的认知里,NVIDIA不是一家游戏公司,也不是一个游戏平台,它最被广为人知的是它的显卡业务。

  但从NVIDIA涉足云游戏业务,就能看出游戏与芯片产业几十年来的耦合关系了。

  引用NVIDIA官方的一段有些自夸的描述,NVIDIA在1999年在业界倡导 GPU 概念,重新定义了现代计算机显卡,并将计算机与家用游戏联系起来,于 2000 年美国互联网泡沫破灭之时为家用计算机市场找到了全新的成长空间。

  后续的故事我们都知道了,在整个PC时代的晚期,“能玩游戏”是对一台电脑很重要的指标,而“能流畅玩游戏大作”则是对一台个人电脑最好的赞誉。这种衡量标准甚至延续到了移动互联网时代,苹果公司在 iPhone 前几代的发布会时,每次都会请出一款名为《无尽之剑》的3D游戏为其最新的产品性能背书。

  自然,游戏与硬件性能、成本之间的相互促进与带动作用也会延续到云游戏时代,甚至会比之前有过之而无不及。

  与过去游戏带动消费者更换新设备不同,云游戏的主要运算放在云服务商的机房里,因此更易于对新芯片的批量换代升级。硬件在性能上的一点提升与成本的一点下降,对于批量更新的云服务运营商来说都意味着巨大的运营成本节省。

  就服务器的核心部件处理器(CPU和GPU)芯片而言,刻蚀工艺至今仍是至关重要的一项技术指标,同时关系到芯片的性能与成本。刻蚀尺寸越小,相同晶体管密度的芯片就越小,一块晶圆(如下图)能够生产的芯片即越多,边角料(黑色部分)浪费也越少;同理,相同尺寸的芯片上的晶体管数量就会越多。

  目前7nm刻蚀工艺的芯片正逐渐进入市场。以AMD的产品为例,7nm相比于上一代14nm可以将晶体管密度提高一倍,同等频率下功耗可以降低一半,而同等功耗下性能提升可以超过25%。

  

  虚拟化

  对绝大多数云游戏服务商而言,芯片制造技术并未掌握在自己手里,那么,虚拟化就是降低服务器成本,提升服务质量最为有效的手段之一了。

  虚拟化是云服务中的一个专有名词,是指将一台物理计算机切割成多台逻辑计算机供用户使用。

  用一个通俗的比方来说明,云游戏与传统游戏的模式,就像是电厂统一发电与每家每户配备发电机的区别。前者理应有更高的效率与更低的成本,但如何实现这个目标,则需要一系列性能管理上的机制,这就是虚拟化的技术要求。

  作为曾经的云游戏服务先驱者,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。然而,它的一台服务器仅能同时服务于一名用户,但玩家在使用服务时其玩的游戏不一定能占满一台服务器的性能,所以其性能对于不少玩家来说是过剩的,缺乏合理有效的分配,无形之中造成了资源浪费。

  为了整合并分配服务器资源,就需要依靠虚拟化。它允许多个用户共享同一台物理服务器的资源,同时保持隔离。目前,CPU、网络接口和存储的虚拟化技术已经相当成熟,并已广泛应用于云计算等服务当中。

  不同的是,云游戏对用于图形处理的GPU依赖性更强,其虚拟化技术对游戏画面帧数、响应延迟和画面质量均会造成不同程度的影响。在虚拟化技术的支持下,一块物理GPU可以划分为几个乃至十几个虚拟GPU,用户可以根据自己的需要选择一个或者多个作为自己云游戏主机的配置,从而实现了服务器资源的有效利用。

  然而,由于GPU的结构与技术文档未对外公开、每次技术更新变化较大,GPU虚拟化的实施较为困难。直到最近几年,随着在工程设计、图形绘制等应用领域的需求增加,GPU虚拟化日益受到关注,技术才日臻完善,但仍有较大的提升空间。

  AMD虚拟化GPU解决方案MxGPU——每个物理GPU支持最多16个用户远程工作。

  

  中间的线(网络传输)

  游戏程序在云端运算完了,怎么推到玩家面前?玩家按下一个按钮如何让服务器第一时间知道?云游戏

  根据Google今年在游戏开发者大会上发布的数据,想要在Stadia上以1080P和60帧运行游戏,至少需要25Mbps带宽。然而根据2018年的全球数据来看,仅有中、美、日、英等少数国家和地区的平均水平能够达到上述要求。

  此外,网络延迟也是云游戏所要面临的一项挑战。哪怕游戏大厂,在云游戏上线初期也难以搭建高密度的服务器网络,大部分玩家均会受到与服务器的物理距离较远的困扰,哪怕是几十毫秒的额外延迟,对于游戏体验的影响也是巨大的。

  而且,云游戏对网络的要求是要在从服务器到玩家手中的设备之间,任何一环都高于其最低要求。在互联网环境下,点与点之间的带宽瓶颈并不取决任何一个中间段,而是对整个网络链路都有要求。

  比如,服务商可以批量采购带宽服务,将服务器以最高的速度接入到骨干网络,玩家可能也办理了200Mbps的家庭宽带。但是,从家庭的入户网线到玩家手中的设备之间,往往还隔着一个家用无线路由器(WiFi),如果型号较老,也可能成为云游戏这类高带宽、高即时性服务的瓶颈之一。

  因此,为了改善这两个问题,目前主要有三个解决思路:

  视频编解码

  云游戏对带宽的要求,本质上是因为云游戏将其在云端渲染好的游戏画面当作一整个视频流推向用户,用户就好像是在隔着视频电话打游戏一样。

  因此,视频编码越先进,就能在越低的带宽下完成越高画质的传输。

  视频的编码是将视频流压缩的过程,目前采用的主流编码技术H264的压缩率不高,导致在游戏画面传输过程中需要的网络带宽较大。

  在过去,推动视频编解码技术发展的主要是视频平台,因为他们在业务成本上与视频编解码技术强相关,有动力投入研发。在未来,云游戏厂商更有可能成为视频编解码技术的推动者。

  从目前来看,新一代的H265技术在相同画质的情况下理论上能比H264减少一半的空间。还是拿Stadia的官方数据来看,4K分辨率的带宽要求为30Mbps,相对于1080P的25Mbps并未呈现比例式的增加,这一情况就被普遍认为是4K的游戏画面会采用更高压缩率的编码技术。

  然而在提高压缩率的同时,不可避免地会增大编码与解码所需要的时间,减少带宽和降低延迟出现了鱼和熊掌的情况。为此,Intel、NVDIA和AMD都给出了各自的硬件编码方案。

  以NVDIA 在 2017 年开始量产销售的Tesla P100 GPU 为例,其对 4K 超高清视频编码相比于基于 CPU 的编码有平均大于 100 倍的提升,这将能大大降低云游戏等需要高清实时编码应用在云端的延迟。

  2

  WiFi

  上文谈到,云游戏对整个网络链条都提出了要求,在中国经历几轮提速降费之后中国城市的带宽水平已经基本能满足云游戏的传输需求。但是,让很多人忽略的是,在从入户网线、光纤到手机与电脑之间的无线路由(WiFi)其实已经成为制约网速和网络反应速度的一个关键瓶颈。

  对于一般消费者来说,普遍评判无线路由器的好坏标准是之一是“穿墙能力好不好”。但其实,穿墙能力并非与一个路由器的品牌与质量有关,而是直接与 WiFi 协议标准有关。

  WiFi 技术标准目前由国际电气和电子工程师协会(简称IEEE)推进,目前主流的商用无线路由器均采用 802.11ac 作为标准生产。802.11ac 在上一代标准 802.11n 的基础上增设 5Ghz 频段,拓展了 WiFi 的传输速度,理论最大可实现 1.73Gbps 的传输速度。

  但 802.11ac 也有它的弱点,就是穿墙能力较差,因此在实际使用中都是与 802.11n 并行。这也是为什么我们经常能看到两个WiFi 信号,其中一个名字是带 5G 的,信号总是差一点但速度反而会快一点。

  然而,理论是理论,实际是实际。

  首先,中国消费者不习惯于频繁更换无线路由器,有不少已经上了光纤入户的家庭还在使用老式不支持 802.11ac 的路由器,并未意识到自己家里的路由器已经成为网速瓶颈。

  其次,市场上消费者最喜爱的百元级路由器产品,仅满足 802.11ac 的最低标准,在实际中经过中距离传输和家庭障碍物阻挡带宽进一步损耗,很可能不能满足云游戏的运行。

  目前,下一代 WiFi 标准 802.11ax 有望在 2019 年正式公布,市面上已经有基于 802.11ax 试生产的路由产品。但按照消费者更换家用路由器的节奏来看,全面普及之路尚且遥远。

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  5G、MEC

  那么,如何解决网络传输的最后一公里问题呢?

  5G技术可能会比 WiFi 更合适,一方面在移动通信技术发展到第五代之后,移动通信的传输速度与成本已经接近 WiFi 的中距离通信水平。另一方面,从商业角度考虑,虽然消费者不喜欢换路由器,但他们每年都喜欢换手机,因此 5G 可能比新的 WiFi 设备更早的普及覆盖。

  5G 和 4G 之间的差别,除了老生常谈的提速降成本之外,还有一个十分重要的特性就是降低延迟。这一特性除了可用于对大量物联网设备进行实时接入之外,对云游戏这种要求即时反馈的需求也可以满足。

  除此之外,在 5G 时代的移动边缘计算可能会为云游戏带来更多的想象空间。

  多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing,MEC)是一种网络架构,它的基本思路是将云计算的一部分能力,由“集中”的机房迁移到网络接入的边缘。从而创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境,加速网络中各项内容、服务及应用的反应速度,让消费者享有不间断的高质量网络体验。

  据估计,将应用服务器部署于无线网络边缘,可在无线接入网络与现有应用服务器之间的回程线路(Backhaul)上节省高达35%的带宽使用,且能够有效地降低网络延迟。

  

  之前,我们将云游戏比作玩家在用本地的手柄和显示器,玩一台千里之外的“游戏机”。那么,如果在城市或其它玩家集中的地区,边缘计算有可能让这台“游戏机”并不那么遥远,从而进一步降低中间的信号传输成本与反馈延迟。

  2018年6月,由中国联通举办的边缘云生态合作伙伴大会上,中国联通协同腾讯现场展示了基于5G MEC的腾讯云游戏“王者荣耀”,在体验现场为玩家提供了20毫秒级别的低延迟游戏环境。

  前沿游戏与前沿技术的相互促进

  在英伟达官方的公司介绍中,这家芯片公司似乎将游戏产业与计算机的发展联系起来。事实上,这隐藏着一段并没有被提及的历史。

  2000年,也就是英伟达所说“发明GPU,推动PC游戏市场”的第二年。美国互联网行业迎来了第一次泡沫破灭。

  90年代初期以来网络运营商和早期互联网公司渲染的互联网连接一切的落地场景由于技术尚未成熟而遭到重创。在此之前,“上网”曾是个人计算机的主要应用场景也是拉动个人计算机市场的重要因素。

  因此,互联网行业泡沫的破灭也让个人电脑行业遭遇到了消费者的质疑——每个家庭真的都需要一台电脑嘛?

  补上这个背景,就不难理解作为一家芯片企业会将游戏作为其公司介绍中的起点。

  GPU的出现,对个人计算机图形渲染能力的提升,使得个人计算机有机会进入到另一个当时早已起步的市场,即电子游戏市场。而这一市场支撑个人电脑及其上游芯片企业渡过了一次寒冬。

  诚如 NVDIA 在公司介绍中所说,GPU 的出现对游戏和PC产业形成了双向促进。一方面,它为PC度过艰难的互联网泡沫破灭期提供了全新的支撑性场景。另一方面,消费者只要多花一点钱买一个性能好一些的电脑,那么除了作为电脑传统的办公、上网需求之外,还能满足游戏需求,也扩大了电子游戏市场的总体规模。

  这为之后计算机的普及,互联网产业第二次冲击“全球互联”奠定了基础。

  事实上,电子游戏对前沿技术的相互促进作用始终存在。除芯片产业之外,在VR/AR、人工智能、区块链、操作系统领域,游戏也有着广泛的带动作用。

  比如,移动互联网早期,苹果凭借的正是愤怒的小鸟、Doodle Jump、水果忍者等精致的游戏在消费者心中将 iPhone 与传统手机划开认知界限。正是虚拟现实游戏激发了HTC、索尼和Oculus纷纷推出VR设备,带来了新一轮的VR浪潮。在区块链成熟于商用领域落地之前,也是各类区块链游戏扩大了这一技术在行业和消费者领域的认知。

  就像人工智能的三次浪潮只有第三次才得到了普遍应用,当下我们无法判断这一轮云游戏浪潮是否就是云游戏最终得以普及应用的那一次。

  但云游戏作为一个电子信息产业全产业链高度集成的复合产品形态,必然对整个链条中的每一项技术都有着较强的依赖与促进作用。

  也许,这便是巨头们纷纷进入这一市场的原因吧。

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  当游戏成为大众的共同语言,当游戏成为一种力量,科学地认知、管理、应用和评估游戏力成为所有人都应该关心的话题。

  腾讯研究院希望通过“游戏力专栏”搭建一个研究合作平台,从法律、产业、技术、社会、艺术等多个维度发现与理解游戏。

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