doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020040114
徐积文1， 张永棠1,2
(1. 广东东软学院计算机学院，广东 佛山 528225; 2. 南昌工程学院江西省协同传感与先进计算技术研究所，江西 南昌 330003)
摘 要: 网络实时游戏已成为一种新的娱乐热点。该文以网络版的气球爆破游戏为例，对影响实时游戏体验质量（QoE ）的主观和客观因素进行分析。通过实验测试，获取游戏玩家争夺爆破气球的数量、游戏触觉接口设备的可操作性以及游戏玩家的公平性等数据，并进行体验质量评估。结果表明：游戏的可操作性主要取决于网络从本地终端到另一终端的时延，公平性主要取决于玩家本地终端网络时延的差异。可操作性与公平性之间存在权衡关系，公平性对游戏综合质量的贡献大于可操作性。调整本地终端的输出时序，可以提升游戏的公平性，提高游戏的综合体验质量。 关键词: 网络实时游戏; 网络软件; 体验质量; 软件定义网络中图分类号: TP317文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2021)03–0150–09
Influence of network delay on QoE for real-time games
XU Jiwen 1, ZHANG Yongtang 1,2
(1. School of Computer, Neusoft Institute Guangdong, Foshan 528225, China; 2. Institute of Cooperative Sensing and
Advanced Computing Technology, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330003, China)
Abstract : Online real-time games have become a new entertainment hotspot. This paper takes the online version of the balloon blasting game as an example to study the subjective and objective factors that affect the quality of experience (QoE) of real-time games. Through experimental tests, data such as the number of blasting balloons that the game player competes for, the operability of the game's tactile interface device, and the fairness of the game player are obtained, and the experience quality is evaluated. The results show that the operability of the game mainly depends on the delay of the network from the local terminal to another terminal,and the fairness mainly depends on the difference in the network delay of the player’s local terminal. There is a trade-off relationship between operability and fairness, and fairness contributes more to the overall quality of the game than operability. Adjusting the output timing of the local terminal can improve the fairness of the game and the overall QoE of the game.
Keywords : online real-time games; network software; QoE; software-defined network
收稿日期: 2020-04-22；收到修改稿日期: 2020-06-17
基金项目: 国家自然科学基金(61663029)；广东省高校重点平台与特创新项目(2020KTSCX771)作者简介: 徐积文（1978-），男，江西大余县人，讲师，硕士，研究方向为软件系统测试及大数据处理。
通讯作者: 张永棠（1981-），男，江西南昌市人，教授，硕士生导师，研究方向为通信及网络空间安全技术、网络安全感知。
第 47 卷 第 3 期中国测试
Vol.47 No.32021 年 3 月
CHINA MEASUREMENT & TEST March, 2021
0 引 言
在网络实时游戏中，受网络延迟、延迟抖动和数据丢失等互联网服务质量（quality of service, QoS ）的影响，将严重降低玩家终端的3D 虚拟空间的体验感。
网络实时游戏可操作性与公平性的平衡关系引起了很多研究者的关注。例如，文献[1]使用3D 虚拟空间中的硬对象研究网络延迟对公平性的影响。在3D 虚拟空间中处理了一种网络化实时游戏，其中两个玩家通过操纵其触觉接口设备，试图用其对象（一个刚性立方体）竞争性地包含一个目标（一个球体）。评估结果表明，当玩家之间的网络延迟差异大于约30 ms 时，玩家会感到不公平。同时，在文献[2]研究了在水果收获游戏中，两个玩家在3D 虚拟空间中玩时，到达玩家所需的时间对公平性的影响。在游戏中，3D 虚拟空间中所有的水果对象都是硬的。结果表明，当时间小于500 ms 时，公平性
几乎不受影响。
然而，在文献[1-2]中，由于仅研究了公平性，所以不清楚触觉接口装置的可操作性与玩家之间的公平性之间的关系。文献[3]提出要通过体验质量（quality of experience, QoE ）评估来详细研究可操作性和公平性之间的关系，在该评估中，应该评估综合质量（即可操作性和公平性的加权总和）以检查哪个QoE 具有对综合素质的贡献更大。此外，还应该分析每个终端应设置多少本地滞后，以保持尽可能高的综合质量。例如，如果公平性对综合质量的
∆贡献较大，则如自适应因果控制，通过调整终端向时序最慢的终端输出时序，可以保持较高的综合质量[3]。然而，在目前的文献中，没有相关工作来研究网络延迟对QoE 的影响，尤其是在虚拟环境中，对于软物体的可操作性和公平性。文献[4]仅对硬物体进行了研究，发现随着网络延迟的增加，物体变得越来越重。即，它们的特性由于网络延迟而改变。软物体的特性可能以与硬物体相同的方式改变；例如，随着网络延迟的增加，它们变得越来越难，但尚不清楚特性如何变化[5]。
本文构建了一个气球爆破游戏系统测试模型，通过玩家测试对软物体进行QoE 评估，研究网络延迟变化实时游戏的影响，求解网络实时游戏的可操作性和的公平性的平衡。
1 测试模型描述
1.1 系统配置
气球爆破游戏的系统配置如图1所示。在三维虚拟空间中，两名玩家（玩家1和玩家2）各自用自己的触控笔爆破气球，两名玩家相互竞争爆破气球的数量。该系统由C 1、C 2两个终端组成，每个终端包含1台PC 、1个触觉接口设备、1个显示器和1个耳机。每个终端的播放器使用触觉接口设备在虚拟空间中移动虚拟触控笔。当玩家用触控笔触碰气球时，通过触觉接口装置感知到反作用力，玩家能感受到气球的柔软。当玩家用触控笔推动气球时，气球会变形。如果玩家用力推气球，气球就会严重变形，气球就会爆裂消失。然后，玩家通过耳机听
玩家1的触控笔
玩家2的触控笔
草坪卷气球
本地滞后 L 1
本地滞后 L 2
终端 C 1
终端 C 2
耳机
耳机
触觉接口设备
触觉接口设备显示器
显示器
PC
PC
玩家1
玩家2
Network
玩家1 玩家20 : 0START
Δ1Δ2
图 1 气球爆破游戏的系统配置
第 47 卷 第 3 期
徐积文，等：实时游戏中网络延迟对体验质量的影响151透射电镜制样
到爆裂的声音。
1.2 游戏方法
在3D虚拟空间中有4个气球。玩家1在虚拟空间的左侧交替爆破2个气球，而玩家2在右侧爆破2个气球。此目的是为了避免在2个终端同时爆破同一气球。如果两个玩家都试图同时爆破气球，使用倒计时协议[6]确定哪个玩家比另一个用户更早爆破气球。在游戏开始之前，玩家可以通过将测针放置在各自的原始位置来做好准备（参见图2(a)）。当屏幕上显示“START”（开始）消息并发出蜂鸣声时，玩家开始爆破气球（参见图2(a)）。在游戏过程中，屏幕上会显示两个玩家的爆破气球数量（请参见图2(b)）。游戏开始后30 s，当屏幕上出现“GAME OVER”消息时，玩家停止游戏（见图2(c)）。蜂鸣器的声音还会提醒玩家此时停止游戏。一个气球爆破的玩家比其他玩家赢球；玩家2在图2(c)中获胜。当气球破裂并消失时，新气球会自动出现在破裂气球的位置。两名玩家都试图从气球的正面尽可能快速
爆破各自的气球。
(a) 游戏开始(b) 游戏中(c) 游戏结束
玩家1玩家2
0 ∶ 0
玩家1玩家2
5 ∶ 6
玩家1玩家2
16 ∶ 18
START GAME OVER
图 2 虚拟空间图像
1.3 计算反应
施加到触觉界面上的反作用力由触觉渲染引擎生成，该引擎使用对象形状和材料属性（例如刚度和摩擦力）计算反作用力[7]。在图3中，绘制了4种情况下的反作用力、穿透深度和气球体积与爆破耗间的关系图。
300900
气囊止血带
600 1 2001 5001 8002 100
爆破耗时/ms
(a) 反作用力300900
600 1 2001 5001 8002 100
爆破耗时/ms
(b) 气球穿透深度
0300900
600 1 2001 5001 8002 100
爆破耗时/ms
(c) 标准、硬、软气球的体积0300900
600 1 2001 5001 8002 100
爆破耗时/ms
(d) 小气球的体积
标准气球小气球硬气球软气球标准气球硬气球软气球
标准气球
小气球
硬气球
精炼渣软气球
小气球图 3 气球反作用力、穿透深度与体积的关系
152中国测试2021 年 3 月
x y z 在标准球囊情况下，球囊三维轴（、和）的半径分别为11 cm 、15 cm 和11 cm ，其中假定触控笔测针的长度为10 cm 。在小气球的情况下，使用半径分别为0.5 cm 、1 cm 和0.5 cm 的气球。硬气球箱和软气球箱中的气球分别比标准气球箱中的硬或软两倍，气球的大小与标准气球箱的大小相同。爆破耗时被定义为从气球表面被触笔接触到气球破裂的瞬间之间的时间间隔。
在虚拟空间中，可以根据气球体积、触笔推动力两种方法判断气球爆炸。在本文的评估中，为了简单起见，使用了一种当气球体积达到阈值时气球爆裂的方法。当气球的体积小于阈值时，气球会爆炸。本文将阈值设置为气球初始体积的90%。
2 测试方案
C 1C 2∆1C 2∆2∆1L 1∆2L 2C 1
C 2C 1C 2将两个实验终端通过网络仿真器（NIST net ）[8]
相互连接，该仿真器用于代替图1所示的网络。网络仿真器为终端之间传输的每个数据包生成额外的恒定延迟。假设从终端到的恒定延迟为，从
到C 1的恒定延迟为。把的本地滞后称为，的本地滞后称为。在相同的延迟情况下，从到的恒定延迟总是等于相反方向的恒定延迟。在不同的延迟情况下，从到的恒定延迟可以不同于相反方向的恒定延迟。
2.1 相同的延迟情况
C 1L 1∆1在这次测试中，只研究了网络延迟对触觉接口设备可操作性的影响。没有研究玩家之间的公平性，因为当终端之间的网络延迟值相同时，公平性是完美的[9]。为了关注网络时延与触觉接口设备的可操作性之间的关系，在本例中只使用了。将本地滞后称设置为与相同的值。对16名年龄在20~30岁之间的玩家（男性和女性）进行了QoE 评估。每名玩家在每次评估前将持续延迟设置为0 ms 的条件下练习约2 min 。在测试中，每名玩家交替击破位于虚拟空间左侧的两个蓝气球。当气球破裂时，总会自动出现一个新的气球。为了研究网络延迟对不同类型气球的影响，使用第1.3小节中描述的4种气球进行了4次评估。根据气球类型，这种情况下的测试分别称为标准气球测试、小气球测试、硬气球测试和软气球测试。
在每次测试中，将每个玩家的延迟从0 ms 随机顺序更改为500 ms ，间隔为50 ms 。测试顺序也按随机顺序为每个玩家选择。玩家用触控笔连续引爆
气球30 s 。每次触刺后，根据五级损伤量表（5. 不可察觉；4. 可察觉，但不令人讨厌；3. 稍令人讨厌；
2. 令人讨厌；1. 非常令人讨厌）来判断是否容易爆裂。通过平均所有玩家的得分，得到了平均意见得分（mean opinion score ，MOS ）[10]。采用爆破气球的数量作为客观评价指标。每个用例的总评估时间约为每个玩家20 min 。
2.2 不同的延迟情况
∆1=∆2=0ms ∆1∆2在这种情况下，进行了QoE 评估，以明确网络延迟对可操作性、公平性和综合质量的影响。在评估中，两名玩家一起玩气球爆破游戏。评估前，每对玩家在延迟的情况下，玩3次气球爆破游戏，以适应游戏；也就是说，为这对玩家提供
相同的条件。通过练习，每个玩家都知道如何使用触觉接口设备来爆破气球。在这种情况下，通过设置延迟至0 ms 或200 ms ，设置延迟至50 ms 、100 ms 、200 ms 、300 ms 或500 ms 进行评估。对16名年龄在20~30岁之间的玩家（男性和女性）进行了QoE 评估。
∆1P 1P 2L 1L 2L 1L 2∆2将设置为0 ms 和200 ms 的评估分别称为和。为了了解两个终端的本地滞后值对可操作性和公平性的影响，通过将本地滞后和设置为不同的值来进行评估。以50 ms 为步长时间将从0 ms 改为500 ms ，将设为与相同的值。在每次评估中，延迟和本地滞后的组合顺序是随机变化的。每次触刺气球需要30 ms 。在每次触刺后要求玩家根据定义五级损伤量表（5. 听不清；4. 听不清，但不烦人；3. 稍微烦人；2. 烦人；1. 非常烦人）[11]，对可操作性、公平性和综合质量（即可操
打猎机作性与公平性的加权和）做出判断。在每一次触刺中，如果两玩家在胜利或失败的结果上与练习中几乎相同，那么他们就会认为公平程度很高，并将得分定在5分。玩家给每次触刺打1~5分。通过对玩家的得分进行平均，得到了MOS 。采用爆破气球的数量作为客观评价措施，每次评估的游戏总时间约为每对玩家2 h 。
3 测评结果
对相同延迟和不同延迟两种情况分别做了100次评估实验，置信区间为95%。下面对测评结果进行分析。
3.1 相同延迟情况
∆1
图4(a)展示了4种评估的可操作性与延迟第 47 卷 第 3 期徐积文，等：实时游戏中网络延迟对体验质量的影响153
∆1C 1∆1∆1⩾100ms ∆1⩽150ms 的MOS 值。由图可知，所有评估的MOS 值都随着
的增大而减小。这是因为终端的本地信息被缓
冲了一段的时间，因此，由于互动性降低，每个玩家都感觉气球越来越硬，越来越滑，很难把气球爆破。从图中还发现，当时，小气球评估的MOS 值小于其他情况。原因是，当延迟较大时，为了不从小气球上滑下，玩家操作触控笔比较困难。从图中可以看出，当时，MOS 值大于3.5。这意味着，对于小于或等于150 ms 的网络延迟，QoE 的恶化是允许的。
23
45标准气球小气球硬气球软气球
真空吸笔2468101214181650100200150250300350400450500
Δ1/ms
标准气球小气球硬气球软气球
图 4 相同延迟下4种气球的评价
∆1∆1∆1<250ms ∆1>300ms 图4(b)展示了爆破气球的平均数量与的关系。由图可知，随着的增加，所有评估中气球破裂的平均数量都变小。还可以看出，在软气球评估中，平均爆球数是最高的。在硬气球评估中，当
时，爆破气球的平均数量最小；当时，小气球评估中爆破气球的数量最小。
3.2 不同延迟情况3.2.1 主观评价结果
C 1∆2L 1C 1L 1C 2L 1∆2L 2C 2∆2图5展示了终端的本地滞后与可操作性MOS 值的关系。在图5(a)可以看到，在相同的延迟情况下，的所有的可操作性MOS 值都随着的增加而减小。这是因为的本地信息缓冲时间为，因此，由于互动性降低，每个被测试用例都感觉气球越来越硬，越来越滑，很难把气球爆破。由图5(b)可知，处的MOS 值与关系不大，主要依赖于或。这是因为的本地信息被缓冲了一段时间的。
∆2L 1L 1L 2在图5(c)和图5(d)中，注意到所有值的公平性MOS 值随着的增加而增加。这是因为当和的绝对差变小的时候，每个玩家都强烈地感到公平。
C 1L 1通过比较图5(a)和图5(c)，可操作性的MOS 值与的公平性之间存在权衡关系。也就是说，随着的增加，可操作性的MOS 值变小，但公平性变大。此外，从图5(b)和图5(d)中可以看到C 2的可操作性MOS 值几乎没有变化，但公平性的MOS 值变得更大。
L 1∆2=50ms ∆2=500ms L 1∆2L 1|L 1−L 2|⩽75ms L 1L 2∆1∆2为了求解两个终端本地滞后的最优值，计算了两个终端的平均MOS 值，如图6所示。在图6(a)中可以看到，两个终端的可操作性的平均MOS
值随着变大而减小。此外，还发现时，具有最高的MOS 值；而时，对于的每个值具有最低的MOS 值。在图中注意到，对于的所有值，当变大时，平均MOS 值增加。从两个终端的平均MOS 值进一步证实了可操作性MOS 值与公平性MOS 值之间存在权衡关系。从图6(b)中还观察到，当本地滞后差的绝对值时，MOS 值大于3.5。因此，允许滞后的范围约为75 ms 。这种本地滞后差的允许范围，可能有助于只关注公平性的网络应用。因此，将和分别设置为和的相同值，可以求得本地滞后的最优解为网络延迟绝对差的允许范围约小于或等于75 ms 。
C 1C 2C 1∆2L 1∆2L 1L 1∆2=50ms L 1∆2L 1图7(a)和图7(b)展示了和的综合质量MOS 值，图7(c)展示了综合质量的平均MOS 值。从图7(a)可以看出，处所有值的综合质量MOS 值几乎不依赖于。在图7(b)中发现，当为50 ms 或100 ms 时，MOS 值几乎不依赖于。对于Δ2的其他值，MOS 值随着的增大而增大。从图7(c)中可以看到，当时的平均MOS 值几乎不依赖于。对于的其他值，随着变大，平均MOS 值
154中国测试2021 年 3 月
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