徐積文,張永棠,2

(1. 廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 佛山 528225; 2. 南昌工程學(xué)院江西省協(xié)同傳感與先進(jìn)計(jì)算技術(shù)研究所，江西 南昌 330003)

0 引 言

在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時游戲中，受網(wǎng)絡(luò)延遲、延遲抖動和數(shù)據(jù)丟失等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量（quality of service,QoS）的影響，將嚴(yán)重降低玩家終端的3D虛擬空間的體驗(yàn)感。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)時游戲可操作性與公平性的平衡關(guān)系引起了很多研究者的關(guān)注。例如，文獻(xiàn)[1]使用3D虛擬空間中的硬對象研究網(wǎng)絡(luò)延遲對公平性的影響。在3D虛擬空間中處理了一種網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時游戲，其中兩個玩家通過操縱其觸覺接口設(shè)備，試圖用其對象（一個剛性立方體）競爭性地包含一個目標(biāo)（一個球體）。評估結(jié)果表明，當(dāng)玩家之間的網(wǎng)絡(luò)延遲差異大于約30 ms時，玩家會感到不公平。同時，在文獻(xiàn)[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(dá)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(jié)果表明，當(dāng)時間小于500 ms時，公平性幾乎不受影響。

然而，在文獻(xiàn)[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(guān)系。文獻(xiàn)[3]提出要通過體驗(yàn)質(zhì)量（quality of experience,QoE）評估來詳細(xì)研究可操作性和公平性之間的關(guān)系，在該評估中，應(yīng)該評估綜合質(zhì)量（即可操作性和公平性的加權(quán)總和）以檢查哪個QoE具有對綜合素質(zhì)的貢獻(xiàn)更大。此外，還應(yīng)該分析每個終端應(yīng)設(shè)置多少本地滯后，以保持盡可能高的綜合質(zhì)量。例如，如果公平性對綜合質(zhì)量的貢獻(xiàn)較大，則如自適應(yīng) ?因果控制，通過調(diào)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(zhì)量[3]。然而，在目前的文獻(xiàn)中，沒有相關(guān)工作來研究網(wǎng)絡(luò)延遲對QoE的影響，尤其是在虛擬環(huán)境中，對于軟物體的可操作性和公平性。文獻(xiàn)[4]僅對硬物體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)絡(luò)延遲的增加，物體變得越來越重。即，它們的特性由于網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)建了一個氣球爆破游戲系統(tǒng)測試模型，通過玩家測試對軟物體進(jìn)行QoE評估，研究網(wǎng)絡(luò)延遲變化實(shí)時游戲的影響，求解網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(tǒng)配置

氣球爆破游戲的系統(tǒng)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(shù)量。該系統(tǒng)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(shè)備、1個顯示器和1個耳機(jī)。每個終端的播放器使用觸覺接口設(shè)備在虛擬空間中移動虛擬觸控筆。當(dāng)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(dāng)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(yán)重變形，氣球就會爆裂消失。然后，玩家通過耳機(jī)聽到爆裂的聲音。

圖1 氣球爆破游戲的系統(tǒng)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(cè)交替爆破2個氣球，而玩家2在右側(cè)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(jì)時協(xié)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(zhǔn)備（參見圖2(a)）。當(dāng)屏幕上顯示“START”（開始）消息并發(fā)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(shù)量（請參見圖2(b)）。游戲開始后30 s，當(dāng)屏幕上出現(xiàn)“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(dāng)氣球破裂并消失時，新氣球會自動出現(xiàn)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(jì)算反應(yīng)

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(jì)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(guān)系圖。

圖3 氣球反作用力、穿透深度與體積的關(guān)系

在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣球箱中的硬或軟兩倍，氣球的大小與標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(dāng)氣球體積達(dá)到閾值時氣球爆裂的方法。當(dāng)氣球的體積小于閾值時，氣球會爆炸。本文將閾值設(shè)置為氣球初始體積的90%。

2 測試方案

將兩個實(shí)驗(yàn)終端通過網(wǎng)絡(luò)仿真器（NIST net）[8]相互連接，該仿真器用于代替圖1所示的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)仿真器為終端之間傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)包生成額外的恒定延遲。假設(shè)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(wǎng)絡(luò)延遲對觸覺接口設(shè)備可操作性的影響。沒有研究玩家之間的公平性，因?yàn)楫?dāng)終端之間的網(wǎng)絡(luò)延遲值相同時，公平性是完美的[9]。為了關(guān)注網(wǎng)絡(luò)時延與觸覺接口設(shè)備的可操作性之間的關(guān)系，在本例中只使用了 C1。將本地滯后稱L1設(shè)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(jìn)行了QoE評估。每名玩家在每次評估前將持續(xù)延遲設(shè)置為0 ms的條件下練習(xí)約2 min。在測試中，每名玩家交替擊破位于虛擬空間左側(cè)的兩個藍(lán)色氣球。當(dāng)氣球破裂時，總會自動出現(xiàn)一個新的氣球。為了研究網(wǎng)絡(luò)延遲對不同類型氣球的影響，使用第1.3小節(jié)中描述的4種氣球進(jìn)行了4次評估。根據(jù)氣球類型，這種情況下的測試分別稱為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)順序更改為500 ms，間隔為50 ms。測試順序也按隨機(jī)順序?yàn)槊總€玩家選擇。玩家用觸控筆連續(xù)引爆氣球30 s。每次觸刺后，根據(jù)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(shù)量作為客觀評價指標(biāo)。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(jìn)行了QoE評估，以明確網(wǎng)絡(luò)延遲對可操作性、公平性和綜合質(zhì)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(yīng)游戲；也就是說，為這對玩家提供相同的條件。通過練習(xí)，每個玩家都知道如何使用觸覺接口設(shè)備來爆破氣球。在這種情況下，通過設(shè)置延遲 ?1至0 ms或200 ms，設(shè)置延遲 ?2至50 ms、100 ms、200 ms、300 ms或 500 ms進(jìn)行評估。對16名年齡在20～30歲之間的玩家（男性和女性）進(jìn)行了QoE評估。

將 ?1設(shè)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(shè)置為不同的值來進(jìn)行評估。以50 ms為步長時間將L1從0 ms改為500 ms，將L2設(shè)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(jī)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(jù)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(zhì)量（即可操作性與公平性的加權(quán)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(jié)果上與練習(xí)中幾乎相同，那么他們就會認(rèn)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(jìn)行平均，得到了MOS。采用爆破氣球的數(shù)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(jié)果

對相同延遲和不同延遲兩種情況分別做了100次評估實(shí)驗(yàn)，置信區(qū)間為95%。下面對測評結(jié)果進(jìn)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?yàn)榻K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(fā)現(xiàn)，當(dāng) ?1≥100 ms時，小氣球評估的MOS值小于其他情況。原因是，當(dāng)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(dāng) ?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(wǎng)絡(luò)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(shù)量與 ?1的關(guān)系。由圖可知，隨著 ?1的增加，所有評估中氣球破裂的平均數(shù)量都變小。還可以看出，在軟氣球評估中，平均爆球數(shù)是最高的。在硬氣球評估中，當(dāng)?1<250 ms時 ，爆破氣球的平均數(shù)量最小；當(dāng)?1>300 ms時，小氣球評估中爆破氣球的數(shù)量最小。

3.2 不同延遲情況

3.2.1 主觀評價結(jié)果

圖5展示了終端的本地滯后與可操作性MOS值的關(guān)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?yàn)?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(guān)系不大，主要依賴于?2或L2。這是因?yàn)镃2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?yàn)楫?dāng)L1和L2的絕對差變小的時候，每個玩家都強(qiáng)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(quán)衡關(guān)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(yōu)值，計(jì)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(fā)現(xiàn) ?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(dāng)L1變大時，平均MOS值增加。從兩個終端的平均MOS值進(jìn)一步證實(shí)了可操作性MOS值與公平性MOS值之間存在權(quán)衡關(guān)系。從圖6(b)中還觀察到，當(dāng)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(guān)注公平性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。因此，將L1和L2分別設(shè)置為 ?1和 ?2的相同值，可以求得本地滯后的最優(yōu)解為網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量MOS值，圖7(c)展示了綜合質(zhì)量的平均MOS值。從圖7(a)可以看出,C1處 ?2所有值的綜合質(zhì)量MOS值幾乎不依賴于L1。在圖7(b)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng) ?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(dāng) ?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(dāng) ?2=100 ms時 ,L1的最佳值約為 75～100 ms。當(dāng) ?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(nèi)。

圖7 不同延遲Δ2下綜合質(zhì)量評價

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

3.2.2 客觀的評估結(jié)果

圖8展示了 C1和 C2爆破氣球的平均數(shù)量，以及爆破氣球數(shù)量的平均差異，并且繪制了95%的置信區(qū)間。

圖8 不同延遲Δ2下爆破氣球數(shù)量

在圖8(a)中，看到 C1的平均爆裂氣球數(shù)量隨著L1的增加而減小。在圖8(b)中，發(fā)現(xiàn) C2的平均爆裂氣球數(shù)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(jìn)行比較可以得出，隨著每個 ?2的平均爆裂氣球數(shù)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(shù)量的平均差異變得更小。這是因?yàn)殡S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(jìn)行比較，看到曲線的趨勢相反。也就是說，對于 ?2的每個值，當(dāng)爆裂氣球數(shù)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(jié)果的關(guān)系

通過比較客觀結(jié)果和主觀結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們相互關(guān)聯(lián)。為了研究爆破氣球的平均數(shù)量（或本地滯后）與可操作性的MOS值之間的關(guān)系，進(jìn)行回歸分析[12]，得到了兩個評估的兩個終端的估計(jì)方程（如表1所示）。在表中,OMOS表示可操作性的估計(jì)MOS值,Nburst是爆破氣球的平均數(shù)量，?是本地滯后,R2是根據(jù)自由度調(diào)整的貢獻(xiàn)率，顯示了與估計(jì)方程的擬合優(yōu)度。由于表1中的貢獻(xiàn)率很高，表明可操作性的MOS值可以從平均爆破氣球數(shù)或本地滯后來估計(jì)，并且具有很高的精度。

表1 可操作性MOS的估計(jì)方程

此外，應(yīng)用回歸分析，研究了公平性的MOS值與爆破氣球數(shù)量平均差的絕對值之間的關(guān)系，以及公平性的MOS值與本地滯后差的絕對值之間的關(guān)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(shù)量的平均差,D?是本地滯后差，貢獻(xiàn)率R2很高。因此，可以根據(jù)爆破氣球數(shù)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(jì)MOS的公平性。同時，根據(jù)表3中所示的高貢獻(xiàn)率，其中CMOS是綜合質(zhì)量的估計(jì)MOS值。

表2 公平性MOS的估計(jì)方程

表3 綜合質(zhì)量MOS的估計(jì)方程

此外，檢驗(yàn)了兩個終端的平均MOS值與客觀結(jié)果之間的關(guān)系?？刹僮餍云骄鵐OS值的估計(jì)公式如表4所示，其中AOMOS是可操作性的估計(jì)平均MOS值,Nburst1是 C1的平均爆破氣球數(shù),Nburst2是C2的平均爆破氣球數(shù)。從表中注意到，由于表中的貢獻(xiàn)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(shù)量來估計(jì)。還發(fā)現(xiàn)平均MOS公平值的估計(jì)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(shù)的平均差的絕對值或本地滯后差的絕對值來實(shí)現(xiàn)高精度估計(jì)。綜合質(zhì)量平均MOS值的估算公式如表5所示，其中ACMOS是綜合質(zhì)量的平均MOS值,?1是C1的本地滯后,?2是C2的局部滯后。根據(jù)表5所示的高貢獻(xiàn)率，綜合質(zhì)量的平均MOS值可以從兩個終端的平均爆球數(shù)和爆球數(shù)平均差的絕對值，或者從兩個終端的本地滯后來估計(jì)。

表4 可操作性平均MOS的估計(jì)公式

表5 綜合質(zhì)量平均MOS的估算公式

4 結(jié)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(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)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(fā)現(xiàn)觸覺接口設(shè)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(wǎng)絡(luò)延遲?？梢杂^察到，隨著網(wǎng)絡(luò)延遲的增加，游戲中的軟物體變得更硬、更滑。此外，驗(yàn)證了玩家之間的公平性取決于終端之間的網(wǎng)絡(luò)延遲差異或終端之間的本地延遲差異。進(jìn)一步證實(shí)了可操作性與公平性之間存在著權(quán)衡關(guān)系。可以通過在每個終端上設(shè)置本地滯后的值，實(shí)現(xiàn)可操作性和公平性的最優(yōu)化。當(dāng)終端之間的網(wǎng)絡(luò)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(shè)置為與從本地終端到另一終端的網(wǎng)絡(luò)延遲相同的值。當(dāng)差異約大于50 ms時，可以將本地滯后設(shè)置為終端之間較大的網(wǎng)絡(luò)延遲值。

此外，還研究了主觀和客觀評估結(jié)果之間的關(guān)系?？刹僮餍缘腗OS值可以由爆破氣球的平均數(shù)或本地滯后來估計(jì)，具有較高的精度；公平性的MOS值可以由爆破氣球數(shù)的平均差或本地滯后差的絕對值粗略估計(jì)。綜合質(zhì)量的MOS值可以從爆破氣球的平均個數(shù)和爆破氣球個數(shù)平均差的絕對值來估計(jì)，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(jì)。

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(jìn)行QoE評估。例如，當(dāng)施加在氣球上的力達(dá)到閾值時，氣球可能會爆。還要將該結(jié)論應(yīng)用到其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)時游戲中，確認(rèn)可操作性和公平性之間的權(quán)衡關(guān)系，通過設(shè)置本地延遲確定兩個終端的綜合質(zhì)量MOS值是否可以保持較高。這對未來互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)絡(luò)實(shí)時游戲的研發(fā)具有一定的參考價值。