摘要：該文以安卓平臺上一款游戲模擬器的云化過程為例，分析了研發(fā)背景和云化方案的選擇思路，根據(jù)游戲模擬器的特點設(shè)計了輕量級、低損耗的音視頻攔截方案，給出了具體實施的系統(tǒng)架構(gòu)和各模塊功能，并針對解決方案中存在的問題提出了節(jié)約系統(tǒng)資源、提高用戶體驗、減少用戶流量成本的一系列優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：游戲模擬器;云游戲;音視頻攔截方案;解決方案;性能優(yōu)化

中圖分類號：TP37? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）01-0116-03

1 背景

隨著智能手機的普及，原來傳統(tǒng)游戲平臺遇到了瓶頸，面臨淘汰的風(fēng)險。游戲平臺升級會帶來老用戶體驗下降、用戶流失，如果游戲平臺不升級但是隨著用戶手機硬件變?yōu)橹悄苁謾C而無法使用。因此，如何利用軟件技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)游戲平臺到云游戲平臺的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)用戶體驗不變，又能很好地兼容不同的智能手機硬件是傳統(tǒng)游戲平臺急需解決的問題。

某公司就是該場景的典型案例，該公司有一款面向功能機的游戲模擬器產(chǎn)品。該產(chǎn)品在功能機為游戲開發(fā)提供了統(tǒng)一接口，屏蔽了不同機型的硬件差異?；谠撃M器開發(fā)的游戲可便利地在不同功能機上移植，因此吸引了眾多游戲開發(fā)商為其開發(fā)游戲，而豐富的游戲內(nèi)容為該模擬器吸引了大量用戶。

隨著智能機時代的到來，該游戲模擬器被移植到安卓平臺。因市場環(huán)境變化，新增用戶較少但仍有大量存量用戶。

某段時間，該公司發(fā)現(xiàn)存量用戶的流失加快。經(jīng)市場部門調(diào)研發(fā)現(xiàn)是因為蘋果發(fā)布新手機，導(dǎo)致不少用戶從安卓手機更換為蘋果手機。經(jīng)進一步調(diào)研得知，這些更換手機的用戶都是公司從功能機時代積累起來的，具有較高的忠誠度，他們?nèi)匀幌Ｍ谔O果手機上能夠使用對應(yīng)的游戲模擬器。

為此市場部門要求研發(fā)部門在iOS平臺提供對應(yīng)的游戲模擬器產(chǎn)品，以防止安卓手機上的用戶進一步流失，并挽回已遷移到蘋果手機上的用戶。

2 技術(shù)方案選擇

2.1 移植方案

研發(fā)部門計劃把游戲模擬器和游戲從安卓上移植到iOS系統(tǒng)上，但是經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)兩者均存在困難。

對于游戲模擬器，移植的困難有三點。1）游戲模擬器代碼規(guī)模龐大，達數(shù)十萬行，且邏輯復(fù)雜;2）游戲模擬器底層需要針對iOS平臺做大量的接口適配工作，技術(shù)挑戰(zhàn)大;3）游戲模擬器產(chǎn)品已經(jīng)處于維護階段，只有少數(shù)員工維護，開發(fā)所需的人力資源不足。

對于游戲的移植，雖然不需要變動游戲邏輯（因為游戲模擬器屏蔽了設(shè)備和系統(tǒng)差異），但是需要游戲編譯iOS平臺的版本。然而這些游戲年代久遠，不少開發(fā)商已經(jīng)聯(lián)系不上或者注銷，無法被重新編譯。

綜合考慮，移植方案不可行。

2.2 云游戲方案

由于移植方案的成本高昂，那么是否有其他方案呢？研發(fā)部門把目光投向了云游戲解決方案。

云游戲是使得在計算能力較弱的客戶端能運行高品質(zhì)游戲的一種方式。云端運行游戲邏輯，而客戶端僅僅是展示游戲畫面、播放音頻，以及收集、傳遞用戶的控制命令發(fā)送到云端。因此可以避免客戶端上大量的移植和改造工作。由于模擬器上的游戲都較老，分辨率普遍較低，也適合做成云游戲。

實現(xiàn)云游戲的關(guān)鍵是服務(wù)端能高效快速地實現(xiàn)對游戲音視頻的攔截。傳統(tǒng)的攔截方式有兩種：一種是在設(shè)備截獲其音視頻，進行編碼，這種方式需要依賴較高級的硬件配置。另一種是hook操作系統(tǒng)中游戲用到的圖像繪制和音頻播放接口，以攔截對應(yīng)的數(shù)據(jù)流，這種方案需要了解對應(yīng)操作系統(tǒng)的相關(guān)接口[1]。

如果采用上述攔截方式，需要涉及大量研發(fā)部門未曾用過的技術(shù)，不利于在資源少、投入少的情況下快速開發(fā)，因此還需另辟蹊徑?？紤]到游戲的繪制、音頻播放都是調(diào)用游戲模擬器的接口，如果在相應(yīng)的接口層攔截數(shù)據(jù)，也可以達到和傳統(tǒng)攔截方式同樣的目的。這種輕量級的攔截方式不僅技術(shù)難度較低，而且還因為避免繪制游戲或者拷貝顯存而更加高效。

3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

3.1 技術(shù)框架設(shè)計

整體技術(shù)方案的框架劃分為模擬器端、服務(wù)器端和客戶端。模擬器端運行真實MRP游戲，實現(xiàn)畫面攔截轉(zhuǎn)發(fā)，模擬用戶操作游戲動作。服務(wù)器控制模擬器管理，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（通過TCP連接）?？蛻舳苏故居螒虍嬅妗r截和轉(zhuǎn)發(fā)用戶行為，且實現(xiàn)登錄等其他基本功能。模擬器端由節(jié)點管理服務(wù)矩陣組成，服務(wù)器端由數(shù)據(jù)庫、配置服務(wù)和ftp服務(wù)組成，客戶端為移動終端。具體架構(gòu)如圖1所示。

1）iOS客戶端。iOS客戶端是用戶使用云游戲的入口，按照安卓游戲模擬器界面風(fēng)格設(shè)計，出于跨平臺的考慮，使用h5技術(shù)實現(xiàn)。

用戶先需登錄客戶端以獲取訪問云游戲系統(tǒng)的權(quán)限。之后，客戶端請求列表服務(wù)獲取可用的游戲列表，展示在界面上。當(dāng)用戶在界面上選擇使用某款游戲后，客戶端啟動該游戲的一次云服務(wù)過程。

在云游戲過程中，客戶端首先向游戲模擬器資源分配服務(wù)申請資源，接著連接到資源中指定的游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)，之后借助于傳輸中介服務(wù)和云端的游戲模擬器通信，進而完成整個云游戲的過程。

2）游戲列表服務(wù)。游戲列表服務(wù)是云端供客戶端查詢云游戲列表的接口。它通過查詢配置數(shù)據(jù)庫把查詢結(jié)果返回給客戶端。配置數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由運營人員通過部署服務(wù)器配置。

3）游戲模擬器資源分配服務(wù)。游戲模擬器資源分配服務(wù)是云端供客戶端創(chuàng)建云游戲服務(wù)的接口。

空閑的游戲模擬器會連接到游戲模擬器資源分配服務(wù)，等待任務(wù)分配。當(dāng)游戲模擬器資源分配服務(wù)收到客戶端連接請求時，它會把請求轉(zhuǎn)發(fā)到某個等待中的游戲模擬器，之后將游戲模擬器返回的資源信息轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。

4）游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)。游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)是客戶端和游戲模擬器傳輸數(shù)據(jù)的中介。它的主要任務(wù)是協(xié)助客戶端和游戲模擬器進行對接及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

5）游戲模擬器集群。云端有多臺服務(wù)器節(jié)點，每個服務(wù)器節(jié)點裝有Ubuntu系統(tǒng) + VirtualBox + genymotion環(huán)境[2]。Genymotion可創(chuàng)建多個安卓模擬器實例，每個安卓模擬器可以安裝一個預(yù)裝了目標游戲的游戲模擬器應(yīng)用，由此組成游戲模擬器集群。每個游戲模擬器可為一個用戶提供云游戲服務(wù)。由于游戲模擬器處于內(nèi)網(wǎng)不能直接被客戶端訪問，因此必須通過游戲模擬器資源分配服務(wù)和游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)才能為客戶端提供服務(wù)。

游戲模擬器有三種狀態(tài)，空閑、等待以及忙碌狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，它連接到游戲模擬器資源分配服務(wù)等待任務(wù)的分配。取得任務(wù)后它連接到游戲數(shù)據(jù)傳輸中介等待客戶端連接，同時將資源信息（模擬器id、對接客戶端的游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)器url地址）返回給游戲模擬器資源分配服務(wù)。此時進入等待狀態(tài)。在等待狀態(tài)下，如果在規(guī)定時間內(nèi)對應(yīng)的客戶端連接到了游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)，則游戲模擬器進入忙碌狀態(tài)。此后，它啟動目標游戲、攔截并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到客戶端、接收并處理來自客戶端用戶控制命令。最后，當(dāng)一次云服務(wù)結(jié)束時，客戶端、游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)、游戲模擬器之間的連接被銷毀，游戲模擬器重新恢復(fù)到空閑狀態(tài)。

6）配置服務(wù)。配置服務(wù)是運營人員部署云游戲的接口。運營人員可以通過配置服務(wù)配置系統(tǒng)支持的游戲列表，為每款游戲設(shè)定對應(yīng)的部署資源包，并將該部署資源包指派給特定的服務(wù)器節(jié)點。

部署資源包中含有g(shù)enymotion安卓模擬器鏡像和部署參數(shù)文件，其中鏡像上預(yù)裝了含有目標游戲的游戲模擬器。它最會被上傳到ftp服務(wù)器供需要服務(wù)器節(jié)點下載。

7）節(jié)點管理服務(wù)。節(jié)點管理服務(wù)負責(zé)在服務(wù)器節(jié)點上的部署云游戲。它定時配置服務(wù)本節(jié)點的部署資源包。如果有新部署資源包，它會則下載到本地。

下載完畢后，它先執(zhí)行g(shù)enymotion命令卸載所有老安卓模擬器鏡像，然后使用部署資源包中的新安卓模擬器鏡像創(chuàng)建并啟動多個實例。最后，它再根據(jù)部署資源包中的部署參數(shù)文件啟動、配置游戲模擬器。

3.2 交互設(shè)計

系統(tǒng)的客戶端和游戲模擬器對接、傳輸數(shù)據(jù)的完整過程如圖2所示。通過加入游戲列表、游戲模擬器資源分配服務(wù)、游戲數(shù)據(jù)傳輸中介服務(wù)將每個用戶占用一整套服務(wù)資源進行云化，根據(jù)算法進行分步、分時為提供用戶不同操作下異步的請求實現(xiàn)多用戶多端口并行處理服務(wù)。

4 技術(shù)框架的實施

4.1 用戶到云游戲模擬器端的技術(shù)實施

游戲模擬器上的游戲端與服務(wù)器保持長鏈接，瀏覽器端與服務(wù)器保持長鏈接。

登錄行為：瀏覽器端html實現(xiàn)輸入框彈窗，登錄時將賬號密碼封裝成protobuf數(shù)據(jù)包發(fā)送至游戲模擬器端登錄成功后啟動游戲。

斷線行為：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不好或用戶關(guān)閉瀏覽器時，瀏覽器端與服務(wù)端的長鏈接斷開，此時，游戲模擬器端與服務(wù)器端的長鏈接會持續(xù)保存5分鐘，如果5分鐘后無再次連接，游戲模擬器端就會重啟游戲進程重新連接服務(wù)器，如果5分鐘內(nèi)瀏覽器端重新連接上，那么服務(wù)端會將該瀏覽器與游戲模擬器重新匹配上，達到斷線重連的效果。

點擊行為：游戲模擬器上的游戲端畫面分辨率為240x320，所以在瀏覽器端畫面等比放大，瀏覽器端捕捉點擊與抬起事件，當(dāng)滑動屏幕時，定時捕捉屏幕坐標作為點擊事件，捕捉到的事件通過protobuf協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至游戲模擬器的游戲端[3]。

4.2 云游戲模擬器的技術(shù)實施步驟

將游戲在模擬器上后臺運行多個（節(jié)省服務(wù)器資源）。游戲模擬器上額外運行一個管理程序，負責(zé)游戲的啟動關(guān)閉，異常處理。

每個游戲啟動一個連接至中轉(zhuǎn)服務(wù)保持的長鏈接，瀏覽器端發(fā)起websocket長鏈接至中轉(zhuǎn)服務(wù)。

中轉(zhuǎn)服務(wù)將瀏覽器端的長鏈接與游戲端的長鏈接進行互傳數(shù)據(jù)。

游戲端在收到瀏覽器端發(fā)來的指令后啟動游戲，生成游戲畫面，分片抓取生成數(shù)據(jù)包傳輸至瀏覽器端。

瀏覽器端收到數(shù)據(jù)之后分片在不同屏幕區(qū)域上進行展示畫面。

游戲端根據(jù)摘要算法對每個數(shù)據(jù)包緩存md5值，發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候進行md5值比對，不發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。

在前端進行數(shù)據(jù)包緩存，根據(jù)md5值進行存取達到節(jié)省流量提高運行速度的效果。

瀏覽器端捕捉屏幕觸摸事件，輸入框或按鈕生成指令發(fā)送到游戲端進行交互從而控制游戲。

5 系統(tǒng)性能優(yōu)化

相比而言，云游戲方案避免了移植所帶來的巨大工作量和風(fēng)險，但是它也存在一些問題。一方面，由于游戲?qū)嵗技性谠贫说姆?wù)器節(jié)點運行，使服務(wù)器節(jié)點的計算能力成為瓶頸。另一方面，云游戲需要處理、傳輸大量音視頻數(shù)據(jù)，容易引發(fā)延時、卡頓、用戶流量消耗過大等問題。為此，研發(fā)部門采用了如下幾類措施進行優(yōu)化。

5.1 優(yōu)化資源

1）精簡模擬器鏡像。刪除genymotion鏡像上無關(guān)的系統(tǒng)應(yīng)用，如郵件、聯(lián)系人、圖庫等，以減少鏡像內(nèi)的存儲資源占用。

2）多開游戲模擬器。通過變更包名的方式，可多個游戲模擬器可在安卓上同時運行。在某特定型號的服務(wù)器節(jié)點上，可支持同時開啟5個安卓模擬器，每個安卓模擬器可開啟5個游戲模擬器。故單節(jié)點可支持25個用戶，并發(fā)量大大提高。

3）自動化縮放游戲模擬器集群。通過實時監(jiān)控游戲模擬器集群的連接狀況，可以動態(tài)縮放集群的規(guī)模。當(dāng)總連接數(shù)超過最高閾值時，配置管理模塊可以自動化快速動態(tài)部署新游戲模擬器到新服務(wù)器節(jié)點;當(dāng)總連接數(shù)低于最低閾值時，配置管理模塊則自動化取消部分服務(wù)器節(jié)點，釋放資源。

5.2 減少視頻數(shù)據(jù)傳輸

1）單圖片分塊傳輸。模擬器游戲的一個特點是存在大量的只有局部圖像變化的場景（例如砍殺怪物時），此時沒有必要傳輸全部的圖像。

游戲模擬器把游戲畫面分塊，檢測各個區(qū)塊的變化，并僅將變化的區(qū)塊發(fā)送到客戶端[4]?？蛻舳酥恍柙隽扛缕渲凶兓牟糠?。由于游戲的分辨率不高，大多只有320x240，因此分塊算法所消耗的CPU在可以接受的范圍內(nèi)。此項優(yōu)化大大減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)量，自然而然也降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性和時延。

2）幀優(yōu)化。根據(jù)游戲在游戲模擬器平臺上的開發(fā)約定，游戲過程中游戲只能在模擬器的局部區(qū)域內(nèi)繪制畫面。當(dāng)播放過場動畫時，需要切換到全屏繪制。

因此游戲模擬器可以根據(jù)接口層檢測到的繪制尺寸的變化來判斷游戲是否處于過場動畫階段。如果處于過場動畫階段，游戲模擬器只攔截并傳輸過場動畫的第一幀，丟棄后續(xù)幀。直到繪制區(qū)域大小發(fā)生變化（意味著過場動畫結(jié)束，重新進入游戲界面）。

這種方法是犧牲部分用戶體驗，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸成本。

3）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？蛻舳伺c中繼、中繼與云端的交互中，都使用protobuf協(xié)議封裝數(shù)據(jù)[5]。目的是減少傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)量、且提高解析速度。protobuf具有平臺無關(guān)和語言無關(guān)的優(yōu)點，易擴展，便于在服務(wù)端和客戶端異質(zhì)平臺通信。解析速度比解析XML快約20-100倍。且序列化數(shù)據(jù)非常緊湊，其序列化之后的數(shù)據(jù)量約XML文本方式的1/3到1/10。

6 結(jié)束語

經(jīng)過上述優(yōu)化，整個云游戲系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。最終客戶端和服務(wù)端的處理和傳輸?shù)臅r延小于100ms，游戲所需的帶寬約為30KB/S，畫面較為流暢，用戶體驗良好。因單臺服務(wù)器節(jié)點支持25路并發(fā)服務(wù)，部署十臺服務(wù)器可供250個用戶同時在線，滿足了業(yè)務(wù)部門的目標。

參考文獻：

[1] 劉穎，秦貴和.基于iOS遠程控制應(yīng)用的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2011，29（5）：451-456.

[2] 姜洪濤.基于WPF的云游戲時延可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2019，32（6）：76-77，80.

[3] 劉螢.基于私有云平臺的手游開發(fā)環(huán)境構(gòu)建研究[J].計算機產(chǎn)品與流通，2018（4）：145.

[4] 關(guān)鵬宇.基于云技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)游戲平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2015（12）.

[5] 梁國壯，安在秋，田涵雷，等.基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2020，43（6）：23-26.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-09-16

作者簡介：呂麗珺（1981—），女，浙江松陽人，講師，碩士，研究方向為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)、電子商務(wù)應(yīng)用和商務(wù)數(shù)據(jù)分析。

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