當畫質走到「盡頭」,AI 穩幀接起了游戲體驗的下一棒

摘要

「高幀爭霸賽」下半場,HyperBoost 式的穩幀成游戲體驗升級的勝負核心。


隨著智能手機迎來高幀率的「大航海時代」,越來越多手機游戲也加入了這場「高幀爭霸賽」。

不幸的是,高幀率帶來的高負載使用需求,加重了手機在游戲運行時的負擔,《原神》、《幻塔》等熱門游戲更是「資源消耗大戶」,于是,一些無法回避的問題擺在消費者面前:為什么手機玩游戲會越來越卡?高幀率下玩游戲為什么容易發熱甚至發燙?

在 1 月 11 日,搭載全新 ColorOS 12.1 的一加 10 Pro 正式發布,在發布會上一加針對上述問題給出了自己的答案:一加 10 Pro 運行英雄聯盟手游,從手機滿電到關機能夠持續穩定在平均 87 幀左右,最高溫度不超過 43.3 度。據內部了解,目前該數據是一加官方通過英雄聯盟手游海外版測試得到,國內版 90 幀模式預計近期就將對一加 10 Pro 開放。

相比于行業通常 30 分鐘幀率測試數據來說,這恐怕是目前行業最長時間的穩幀了。如此「穩」的表現,正是得益于背后的 HyperBoost 全鏈路游戲穩幀技術:通過集合多種 AI 算法的「GPA 穩幀」技術,配合給芯片動手術,將游戲功耗降低 5% 的「圖形異構」技術,再加上從應用到顯示延遲縮短 30ms 以上的「O-Sync 超頻響應」,來解決高負載游戲帶來高功耗、幀率不穩定等問題,ColorOS 似乎找到了游戲長時間穩幀控溫的突破口。

在實現安卓陣營當前最穩定流暢且持久的高幀率游戲體驗背后,HyperBoost 究竟是如何實現這些技術突破?為何說 HyperBoost 技術是當下最適合用戶的游戲增強技術?帶著這些問題,極客公園專訪了 ColorOS 系統 HyperBoost 技術負責人,并嘗試從他們的回答中找到答案。

01 歷史的必然

隨著智能手機的硬件水平不斷提高,用戶使用手機游玩大型游戲的時間越來越長。

QuestMobile 數據顯示,2021 年 6 月,國內手游市場 MAU 達 5.48 億,月人均使用時長超過 20 小時。隨著用戶喜好走向多元化,傳統的橫版動作、回合制、MMORPG 等游戲類型已不再能夠滿足用戶對手機的游戲需求,電競類手游、射擊類沙盒游戲、大型開放世界游戲等類型成為新的熱門。

憑借精美畫面以及高幀率體驗,這些游戲類型對于手機硬件的需求不斷提高,也加大了手機廠商的優化難度。一個顯而易見的事實是,在 2021 年全年的手機中,能夠做到《原神》堅持長時間 60 幀穩定運行的產品并不多,甚至在一些旗艦機型,隨著游戲時長不斷增加,其游戲幀率出現了從 60 幀降驟降到 40 幀的情況,大大影響了用戶的游戲體驗。

針對于此,一些廠商嘗試通過技術手段解決這一問題。一條路線是通過軟硬件結合控制功耗,以達到游戲流暢運行目的,其中代表便是 2018 年亮相的華為 GPU Turbo,宣稱通過軟硬件結合的方式控制芯片資源分配,實現了提升 GPU 性能的同時降低功耗,這一技術背后是軟硬件的結合,即通過軟件輔助調度整個芯片各部件的協同運行,降低資源消耗,因此也能夠在舊機型上實現幀率更穩定的游戲體驗。

另一條路便是加入獨立顯示芯片從而提升畫面流暢度,其中代表便是 iQOO 推出的游戲插幀技術。iQOO 在硬件層面加入了一顆獨立顯示芯片,通過計算游戲兩幀畫面之間的過渡幀,能夠將游戲幀率提升至 90 幀或者 120 幀,從而提升游戲畫面的流暢性。這一技術對于畫面精細度沒有損耗,并且能夠適配不同游戲,但僅支持有獨立顯示芯片的部分機型,并且在游戲過程中,插幀也會對跟手性造成影響。

第三條路便是 HyperBoost 技術。ColorOS 在 2018 年提出了自己的游戲優化技術 HyperBoost,通過和上游硬件廠商和游戲工作室合作,初代 HyperBoost 大幅度改善了手機游戲時的性能和功耗問題。

如今升級之后的 HyperBoost 全鏈路游戲穩幀技術,其核心是通過 AI 學習判斷進行智能調度。由于近兩年對于 AI 技術的深入研究,HyperBoost 技術已經具備自主識別判斷高負載場景的能力,可以在不詢問廠商的情況下智能判斷哪些場景負載比較高,這相較于其他廠商更進一步,由于 HyperBoost 技術屬于系統級游戲優化技術,不會涉及對硬件的改變,因此其能在兼顧畫面精細度、流暢度的前提下,適配更多 ColorOS 機型。

HyperBoost 走上了一條不同于其他廠商的道路,即通過系統級技術開發,持續優化游戲體驗。實際上,當團隊明確了這一目標,便聯合全球 4 大研發基地的優勢力量,結合多種 AI 算法,重點解決兩大核心問題:如何將前沿的圖形多線程思想應用在游戲優化領域以提升圖形渲染指令效率?如何將先進的機器學習算法應用于系統資源精細化聯動控制?

在五萬行代碼和千萬級的自動學習數據量之上,HyperBoost 終于找到了手機「慢、卡、頓」的根源,而 AI 技術,便成為切入這些問題的關鍵所在。

02 AI 技術切入「慢卡頓」

如果說 2021 年高幀率游戲帶給玩家前所未有的游戲體驗,那么 2022 年的核心,便是如何實現高幀與穩幀的完美平衡,這也是 HyperBoost 的目標。

「實現 HyperBoost 全鏈路游戲穩幀技術的重點在于三大技術領域:GPA 穩幀、圖形異構、超頻觸控。GPA 穩幀技術聚焦于 CPU/GPU 的調頻調度上,起到對游戲資源的管控作用;圖形異構技術,聚焦于 GPU 圖形渲染管線,在這個方向之下,我們每年都會有一個技術的迭代;第三個就是超頻觸控,我們希望在觸控領域打造極致的手感,極快的跟手性。這些技術是支撐 HyperBoost 全鏈路游戲穩幀技術的三大方向?!?/p>

HyperBoost 技術負責人鞠工(鞠懷偉)告訴極客公園,解決手機在游戲過程中的「慢卡頓」問題,重點就是在這三大技術領域,但要實現好這三大技術,團隊走過了從沒有人走過的方向。

首先是穩幀過程中如何實現場景智能化識別。以《王者榮耀》舉例,這款游戲約有 200 多個子線程,而一般游戲除了主線程之外,還有 100 多個子線程,在如此多的子線程里,手機 CPU 的核數是有限的,哪些是重要的,哪些是關鍵的,如果靠手工識別就會很難,同時游戲場景也是瞬息萬變的。為了解決這一問題,HyperBoost 通過 AI 技術去判斷,哪些是關鍵的線程,然后做一些保護和牽引,從而保證資源可以得到最優的調動。

聽起來容易但做起來難。游戲渲染的本質就是 CPU 向 GPU 發送圖形指令,這就需要讓 HyperBoost 能夠在指令發送過程中提前洞察芯片的需求,從而更好幫助系統進行資源按需匹配。就好比食客在飯堂下單的同時,后臺廚師就已經開始備菜準備烹飪,迅速對每一樣食材進行明確的操作劃分,減少食客在下單之后的等待時間。當一個人玩《原神》,比如在野外閑逛時,圖形指令此時只有一條,但如果突然出現野怪或者 Boss 需要玩家參與對戰,圖形指令就會變多,而 HyperBoost 就會瞬間知道,這是要開始戰斗了,技能和特效滿天飛,因此會智能地調動更多 CPU 和 GPU 資源來支持。

「系統底層繪制層僅能看到渲染指令,無法看到渲染邏輯,如何僅僅通過渲染指令識別出各個渲染階段對我們是一大難點,比如 3D 場景渲染階段、特效繪制階段、UI 繪制階段的識別等,而 HyperBoost 圖形異構技術,實現了指令批量提交,剔除重復指令,提高連續內存池增加拷貝效率,降低帶寬等。來實現提升 GPU 計算效率,降低系統功耗,持久穩幀的表現?!咕蠎褌ジ嬖V極客公園。

要教 HyperBoost 學會分辨重要和非重要元素,這需要大量的 AI 訓練。最開始,ColorOS 的研發團隊是人工去一毫秒一毫秒地微調不同場景下 CPU/GPU 的主頻、用戶行為、設備溫度、場上局勢以及整體功耗等變量和參數,就像跟阿爾法狗下圍棋一樣,每天都在跟自己下棋,整個工作枯燥且效率不高。

但在經過大量特訓之后,如今的 HyperBoost 已經成為游戲中的預言家,可以提前預知用戶未來所有可能遇到的游戲場景,并基于玩家的打法、風格,以及場上的局勢,預判可能會出現的卡頓,提前應對??梢韵胂笠幌?,在打團戰的時候,用戶不是一個人在戰斗,而是在他的手機里有一個小黑屋,里邊有眾多 AI 軍師在瘋狂地給他做參謀,繞開一個又一個卡頓「路坑」,等于先天立于不敗之地。

ColorOS 將這項技術命名為 GPA 穩幀技術(GPA 是「General Performance Adjustor」的縮寫,直譯為通用性能調節器,寓意該技術是跨平臺全量游戲覆蓋技術),其可以利用設備側多維度強化學習 AI 算法,通過控制游戲幀的生產和消費節奏,步調一致保證系統資源合理分配;當檢測到游戲掉幀風險時,迅速提頻,最大化資源供給,性能優先,實現「剛剛好」的系統資源最佳分配。ColorOS 將這項技術命名為 GPA 穩幀技術(GPA 是「General Performance Adjustor」的縮寫,直譯為通用性能調節器,寓意該技術是跨平臺全量游戲覆蓋技術),其可以利用設備側多維度強化學習 AI 算法,通過控制游戲幀的生產和消費節奏,步調一致保證系統資源合理分配;當檢測到游戲掉幀風險時,迅速提頻,最大化資源供給,性能優先,實現「剛剛好」的系統資源最佳分配。

實際上,早在 Reno5 上,ColorOS 就發布了 GPA 1.0,而如今 GPA 技術已經迭代了 2 代,進入 3.0 階段,其目的已不僅僅是利用 AI 調整頻率,結合圖形異構技術,GPA 技術也進行了升級。

「AI 內核有很多輸入,也有很多輸出,輸入我們采集的所有設備側,包括游戲場景、CPU、GPU 的負載、設備的溫度、游戲的幀率是多少等等,這些輸入拿到后,我們通過大的 AI 內核做了一些事情,包括系統資源的調整,快速的變頻,每分鐘可以決策 1200 次,同時還會做關鍵線程的綁定和識別、穩態溫度、穩態幀率的預測,以及 CPU/GPU 頻率的變頻控制等等,這些都是我們系統資源的調整,對系統調頻調度也有了一些影響,是整體資源上的 AI 化控制?!?/p>

正因如此,在一加 10 Pro 上運行英雄聯盟手游時才可以做到從滿電到關機,平均幀率 87.9 幀,最高溫度 43.3 度,這都是 HyperBoost 全鏈路游戲穩幀技術中 GPA 穩幀的功勞。一加產品線總裁劉豐碩對此有更直觀的解釋:「比如當我們游戲進入到團戰的時候,往往是卡頓高發的場景,你可能覺得是人多動效多,所以卡頓了。但是我們可以更精準地知道到底是什么元素導致的卡頓,是英雄?還是大招動效?甚至是花草樹木?通過精細化拆解,我們可以進行手術級別的優化,區分渲染的優先級,從而極大地降低負載?!?/p>

從技術角度出發,把游戲優化向 AI 化去牽引,用 AI 的方法完成系統資源動態的調整,并進行識別。HyperBoost 團隊在這條路上走了兩年,如今,利用 AI 化的方法已經能夠將游戲過程中功耗、性能、卡頓等綜合游戲體驗進行調優,這是一項重大突破。而基于 AI 技術上的大量投入,ColorOS 系統即便是在游戲不斷升級以后,也能夠自動適應用戶的使用習慣,為每一個用戶的游戲喜好單獨進行訓練,保持每臺手機上都提供最佳的游戲體驗。

目前,團隊已經實現主流的 20 款游戲的深度適配,這些游戲覆蓋了市面上最流行的各種類型游戲,因此再適配其他游戲作品時,可以少走很多彎路快速完成適配。

畫面流暢的同時,游戲的跟手性也要進一步提升。HyperBoost 的 O-sync 超頻響應。作為一項能夠提升游戲觸控跟手性的技術,也在提升游戲體驗過程中發揮了關鍵作用。根據 OPPO 人因實驗室研究,用戶對 2 到 11 秒的優化是有感知的,這也意味著 10 毫秒以上會有顯性感知,因此在觸控優化的過程中,每 1 毫秒的優化提升都是十分重要的。

「O-Sync 是基于 LTPO 獨家開發的游戲加速方案,對軟硬件顯示全鏈路進行了深度定制化。尤其值得一提的是,我們早在 LTPO 尚不成熟的 2019 年就完成了技術預研?!筄-Sync 超頻觸控技術負責人高延凱告訴極客公園,大家習以為常的安卓顯示鏈路其實存在非常嚴重的延遲。即便是全新的自適應刷新率技術,也未對游戲這樣重要的應用區別對待,而是要求后者老老實實地在系統里排 2~3 隊,每次排隊意味著一幀的恐怖延遲。

為此,高延凱解釋說,「O-Sync 技術從癥結點入手,在三星顯示的屏幕芯片中定制了全新的動態刷新率方案,再結合對安卓原生機制的徹底重構,真正為游戲開辟了 VIP 通道,通行時間降低了 30ms,突破了硬件刷新率 120Hz 能達到的上限,也為玩家顯著感知跟手性的提升。玩家可以更早發現、更快瞄準、更穩鎖定目標,每一幀都快人一步?!?/p>

通過「手術刀」級別的優化,HyperBoost 可以幫助手機省掉不必要的功耗,讓游戲保持穩幀的狀態運行,從而保障玩家的穩定發揮,這是其游戲體驗最大的亮點所在,但在此基礎上,面對海量的機型適配,HyperBoost 團隊依然面臨不小挑戰。

03 翻過高山

中國游戲產業研究院發布《2021 年中國游戲產業報告》顯示:2021 年,中國移動游戲用戶規模達 6.56 億人。玩家對手機玩游戲的性能要求越來越高,很多人可能為了一款游戲去換一部新的手機,不同類型的手游在提供精美畫質和高幀率體驗的同時,對圖形渲染效率,系統資源供給也提出更高的要求。



但不同于 PC 硬件可 DIY 的特性,用戶選擇手機時的硬件是一個整體,這通常意味著一臺手機無法面面俱到,游戲性能強的手機拍照或許一般,拍照好的手機玩游戲或許容易發燙,因此針對游戲的優化適配漸漸成為手機廠商的挑戰。

游戲開發者俊偉告訴極客公園:「國內安卓市場可能有上千款機型,開發者在測試環境可能就那么幾十款或者上百款,游戲開發時無法百分之百去模擬用戶的所有場景。所以下游手機廠商在系統層面的優化對于用戶體驗的提升十分重要,而 OPPO、vivo 等體量的廠商擁有足夠的資源和能力來推動游戲體驗的提升?!?/p>

同時,游戲優化也需要游戲工作室和手機廠商進一步深化合作,行業研究表明,手機游戲超過 90% 以上的掉幀,就會被人的肉眼感知到。伴隨各類游戲作品推出更高畫質、更大地圖、更高幀率的內容,在帶來新體驗的情況下,也對游戲工作室提出了更多要求。從芯片、游戲內容、手機系統,涉及到芯片廠商、游戲工作室、手機廠商各個環節,HyperBoost 提出的全鏈路優化目的即在于此,只有各方共同進步,才能打造出持續流暢的穩幀技術。

而對 ColorsOS 系統來說,HyperBoost 利用 AI 技術實現游戲體驗提升,其優勢在于能夠更快適配不用游戲類型和龐大的用戶群體。不論高通平臺還是 MTK 平臺,HyperBoost 能夠實現跨平臺全量游戲的覆蓋,鞠懷偉表示:「適配底座是跨平臺全量覆蓋的,是跟著 ColorOS 版本走的,我們能夠做到不同的芯片平臺,不同的游戲自適應?!?/p>

但伴隨《原神》、《幻塔》這樣「吃硬件」的手機游戲越來越多,未來勢必會對手機廠商的軟件優化提出更高的要求,在 ColorOS 團隊的眼里,當下為了實現高幀率和穩幀平衡,他們選擇了一條「精細化調整」之路,正如鞠懷偉所說:

「市面上其他的廠家都是在溫度上來以后一刀切把幀率直接切下去,斷崖式的下降或者階梯式下降,而我們一幀一幀地向下慢慢的去變,當溫度回來以后,我們還會把它再調回來。從技術的維度上來看,我們能夠針對游戲資源的生產和消耗做到極致的平衡,當資源生產出來,我們立馬就將它消費掉,不產生堆積。另外,當手機出現掉幀的時候,我們也能快速識別到,然后以最快的速度給到系統資源的支持?!?/p>

這樣的幀率優化對于手機廠商必然是巨大的挑戰,但對用戶的體驗提升也會非常明顯。HyperBoost 目前的幀率標準差在 3 以內,盡管已經非常優秀,但未來是否還能進一步突破,做到 2 以內,甚至 1 以內?復旦大學軟件學院教授姜忠鼎曾提到:「通過精妙復雜的算法,軟件工程師可以在不提高游戲硬件的前提下保證畫面效果和流暢度,但這往往需要更大的時間和研發成本?!苟诜€幀流暢這條路上,ColorOS 開了個好頭,但未來之路還很長。


本文為極客公園原創文章,轉載請聯系極客君微信 geekparker

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