使基于云的游戏玩家保持同步的系统

云游戏涉及从云端远程玩视频游戏，在大流行期间发生的封锁和游戏硬件短缺期间，云游戏出现了前所未有的增长。如今，这个新兴行业拥有价值60亿美元的全球市场和超过2300万参与者。

然而，设备间同步仍然是云游戏和更广泛的网络领域中持续存在的问题。在云游戏中，视频、音频和触觉反馈从一个中央源传输到多个设备，例如玩家的屏幕和控制器，这些设备通常在单独的网络上运行。这些网络不同步，导致这两个单独的流之间存在滞后。玩家可能会在屏幕上看到某些事情发生，然后半秒后在控制器上听到它。

受到这个问题的启发，麻省理工学院和微软研究院的科学家们采用了一种独特的方法来同步传输到两个设备的流。他们的系统名为Ekho，将听不见的白噪声序列添加到从云服务器流式传输的游戏音频中。然后它会侦听播放器控制器录制的音频中的这些序列。

Ekho利用这些噪声序列之间的不匹配来连续测量和补偿流间延迟。

在真实的云游戏会话中，研究人员表明Ekho高度可靠。大多数情况下，系统可以将流之间的同步时间保持在不到10毫秒的范围内。其他同步方法会导致持续超过50毫秒的延迟。

虽然Ekho是为云游戏而设计的，但该技术可以更广泛地用于同步传输到不同设备的媒体流，例如在使用多个增强或虚拟现实耳机的训练情况下。

“有时，要想找到一个好的解决方案，只需跳出已为您定义的范围进行思考。整个社区都致力于如何通过网络同步来解决这个问题。通过收听音频来同步两个流在房间里听起来很疯狂，但事实证明这是一个非常好的解决方案，”电气工程和计算机科学(EECS)研究生、描述Ekho的论文的主要作者PouyaHamadanian说道。

微软软件开发人员DougGallatin与Hamadanian一起撰写了这篇论文。MohammadAlizadeh，电气工程和计算机科学副教授，计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)成员;以及微软研究院首席研究员、资深作者KrishnaChintalapudi。该论文将在ACMSIGCOMM会议上发表。

下班

云游戏中流间延迟的核心是网络中的一个基本问题，称为时钟同步。

“如果控制器和屏幕可以看着他们的手表，同时看到相同的东西，那么我们就可以将所有内容与时钟同步。但是关于时钟同步的大量理论工作表明，存在某些永远无法克服的界限，”哈马达尼安说。

许多方法尝试通过乒乓消息传递进行时钟同步，其中设备向服务器发送ping消息，服务器发回pong消息。设备计算消息返回所需的时间，并将该值减半以计算网络延迟。

但网络上的路径可能是不对称的，因此消息到达服务器可能比返回消息花费更多时间。因此，该方法不可靠并且可能引入数百毫秒的误差。一旦流间延迟达到10毫秒，人类通常就能感知到。

“因此，如果屏幕上发生某些情况，我们希望它也能在10毫秒内发生在控制器上，”Hamadanian解释道。

他和他的合作者决定尝试聆听游戏音频来同步这些单独的流。

在云游戏中，玩家控制器上的麦克风记录房间中的音频，包括屏幕上扬声器播放的游戏音频，并将其发送回服务器。但使用它进行同步并不可靠，因为房间音频包含背景噪音。

因此，他们设计了Ekho，在将游戏音频传输到玩家屏幕之前，向游戏音频中添加相同的极低音量白噪声(称为伪噪声)序列。它使用这些伪噪声段进行同步。

在构建Ekho之前，研究人员进行了一项用户研究，以证明玩家听不到游戏音频中的伪噪音。这些噪声序列还具有抗压缩能力，这一点很重要，因为从控制器发送的音频经过高度压缩以加快数据传输速度。

伪噪音，真正的成功

Ekho-Estimator模块向游戏音频添加伪噪声序列。当它从控制器接收到录制的游戏音频时，它会监听这些标记并尝试排列流。这使得它能够精确计算流间延迟。

Ekho-Estimator将该信息发送到Ekho-Compensator模块，该模块要么跳过几毫秒的声音，要么向服务器发送的游戏音频添加几毫秒的静音，从而同步流。

他们在真实的云流媒体会话上测试了Ekho，发现它优于其他同步方法，即使麦克风质量很差或录音中拾取了背景噪音也是如此。

Ekho在流传输过程中近87%的时间内将流间延迟限制在10毫秒以下。团队测试的其他方法都无法将延迟缩短至50毫秒以下。

“传统的方法是尝试使用底层网络来测量同步误差，但误差要大得多。当我们开始这个项目时，我们不确定是否可以做到这一点。但是我们可以达到的准确性认真对待Ekho，在亚毫秒级，这是闻所未闻的，”Chintalapudi说。

研究人员对这些结果印象深刻，他们希望了解Ekho在更复杂的情况下的表现如何，例如将五个控制器同步到同一屏幕设备。此外，由于Ekho的目标是云游戏，因此它有范围限制。未来的工作可能会寻求增强Ekho，以便它可以同步一个非常大的房间(如音乐厅)两端的设备。

“使用听不见的白噪音作为一种‘计时器’是一个很好的例子，说明了创造性思维如何能够产生意想不到的结果，”阿利扎德说。“该技术可以改善用户体验，不仅在云游戏中，而且有可能在任何多设备流媒体场景中。”

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