對于電競游戲輸入延遲的測量分析與優(yōu)化

內(nèi)容提要：

本文旨在指出windows平臺上使用DX8 DX9渲染接口的游戲的延遲的測試方法，大小特點和優(yōu)化方案。采用“慢動作鍵盤宏”法可將測量精度提升到4ms左右,并且通過對比實驗與公式計算，進一步推導(dǎo)出DX8 DX9電競游戲輸入延遲隨環(huán)境變量的變化特點。極大降低鍵盤延遲測試工具的成本，并提高精度和兼容性，發(fā)掘真正優(yōu)秀的鍵盤。本文旨在一改電競游戲的“玄學(xué)優(yōu)化”與“玄學(xué)手感”的研究方式，將對游戲體驗有影響的因素用數(shù)據(jù)的方式表現(xiàn)出來。

關(guān)鍵詞：電子競技 輸入延遲 游戲優(yōu)化 鍵盤 鍵盤延遲

筆者是一名Ballance（一種延時競技游戲）競速玩家，在使用不同的電腦和鍵盤時，水平的差距是極大的。一個“垂直同步”的開關(guān)，幾乎決定了我是高手還是菜雞。帶著這樣的疑惑，我開始研究不同的電腦為什么會讓我有著天壤之別的水平。此時正值NVIDIA?Reflex技術(shù)發(fā)布，它第一次以硬件形式而非感覺形式，測量了從usb到顯示器的輸入延遲，并精確到了1ms級別。然而，一臺搭載NVIDIA?Reflex技術(shù)的顯示器高達數(shù)千元，筆者家境貧寒買不起，于是就依據(jù)其原理，設(shè)計了一套測量輸入延遲的方案。

Reflex的原理是，比較從usb信號輸入顯示器，到顯示器液晶分子變化的時間差，它囊括了除了外設(shè)以外所有部分的延遲（引用來源1）。根據(jù)這個原理，我們可以將游戲操作鍵與大寫鍵綁在一起，比較大寫燈和屏幕變化的時間差，也可以得出來相近的延遲數(shù)據(jù)。

準備材料：帶鍵盤宏功能的鍵盤、有原生240fps慢動作攝影的手機、把視頻從手機發(fā)到電腦的軟件、可以逐幀的電腦視頻播放器

操作方法：

1.編寫一個鍵盤宏，同時摁下caps鍵和某個鍵，存在caps鍵上

2.找到一個瞬間發(fā)生的切換效果，一邊連續(xù)摁caps鍵，一邊用手機拍攝屏幕和鍵盤燈，以稍大的間隔連點20次caps鍵。

3.把視頻發(fā)到電腦上逐幀看，從鍵盤燈亮的一幀開始（本幀不算）播放，直到屏幕開始出現(xiàn)變化的那一幀，經(jīng)過了n幀

4.20次結(jié)果取平均，單位比較特殊，叫“延遲單位”，由于視頻是240fps，所以其中一幀就是240分之1秒。N單位延遲=（N*4.17）ms

數(shù)據(jù)統(tǒng)計：至少包括系統(tǒng)版本，全屏狀態(tài)，dwm狀態(tài)，垂直同步狀態(tài)，幀數(shù)，顯示器刷新率等要素。

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通過控制變量法可以得出以下結(jié)論：

對比1和2 ：與是否使用mod無關(guān)

對比2和3 ：win7上與全屏與否無關(guān)

對比6和7和8 ：與用哪款軟件鎖幀無關(guān)（其實bandicam延遲會高出一幀，可忽略）

對比4和5和6 ：FPS應(yīng)該在240以上

對比4和9：絕對不能開啟垂直同步

對比2和10 ：win10的延遲遠高于win7

對比10和11和12 ：延遲與兼容性選項無關(guān)

對比2和13：將DX8轉(zhuǎn)為DX9后，延遲將會降低為win7水平

查閱Microsoft官網(wǎng)文獻可知，win7可以選擇手動打開和關(guān)閉dwm（桌面窗口合成器），僅影響窗口化游戲，全屏無dwm。win10更為復(fù)雜，win10存在獨占全屏（無dwm），假全屏（有dwm），窗口化（有dwm）三種情況。查閱Microsoft官網(wǎng)文獻可知，“禁用全屏優(yōu)化”將會使游戲強制處于獨占全屏（引用來源2），但是，在ballance上，這個選項并未生效。并且，按道理說兼容模式會提高延遲，而實際情況并非如此。筆者推測是因為由于ballance年代較早，win10會強制為其開啟兼容模式，并強制取消獨占全屏。年代較早的游戲普遍采用Opengl1.1、DX7、DX8等渲染管線，而這些很可能是win10進行判斷“老游戲”的依據(jù)。

擴大實驗，選取其他DX8游戲進行延遲測量，如“東方永夜抄”“CS1.6”，“CS起源”，“東方花映?！保凹t色警戒2尤里的復(fù)仇”，并采用dxwnd中的wrapper工具相互轉(zhuǎn)化，得出以下結(jié)論。凡是DX8 DX7游戲，都會被強制開啟兼容模式，并強制取消獨占全屏。Opengl1.1游戲，在NVIDIA平臺非獨占全屏，在intel平臺獨占全屏。DX9、D9ex、DX10、DX11均可獨占全屏，dxvk1.0非獨占全屏且延遲高，dxvk2.0獨占全屏低延遲。

獨占全屏是否等于低延遲？窗口化是否等于高延遲？其實不一定，要具體分析。我們必須要搞明白，何為獨占全屏？dwm又是怎么增加延遲的？查閱外網(wǎng)文獻得知，一般來說，獨占全屏能夠覆蓋音量懸浮窗和輸入法，假全屏不能，但這種方法僅適用于DX而不適用于Opengl（引用來源3）。對于情況復(fù)雜多變的Opengl、vulkan等非微軟硬件接口，我們就不應(yīng)當糾結(jié)于獨占全屏，一切用延遲數(shù)據(jù)說話。Dwm本質(zhì)上是一層篩選與組合的“膜”，一般來說，游戲畫面先從Rasterizer交到GPU，顯卡畫好了以后發(fā)給DX?surface，再發(fā)到顯卡緩沖區(qū)，然后顯示到屏幕上。但是dwm會從DX?surface拷貝到DWM自己的緩沖區(qū)，然后等各個窗口畫面都提交之后，再統(tǒng)一發(fā)送到顯卡緩沖區(qū)，畫到屏幕上，所以得名“桌面窗口合成器”。Dwm為了確保顯示出的內(nèi)容絲滑流暢，緩沖區(qū)會留2-4個“顯示器完整畫面”。游戲畫的速度再快，完整的畫面也無法搶占緩沖區(qū)內(nèi)存好的2-4個畫面，從而導(dǎo)致整體滯后，這就是它導(dǎo)致高延遲的原因。

游戲內(nèi)的垂直同步就是在緩沖區(qū)中強制存上2-4個“顯示器完整畫面”，而dwm是在游戲外再開辟一塊緩沖區(qū)存上2-4個“顯示器完整畫面”，所以兩者造成的額外延遲是直接相加，互不干擾。同理，在一個60hz顯示器上，無論游戲FPS有多高，即使一秒輸出了1000個畫面，能夠畫上的只有第32張，第64張，第96張……緩沖區(qū)的幀永遠是過時的，而新的卻還得等16.6ms才能進入，大部分幀被直接丟棄。

對抗dwm的方法只有三個：第一個是繞過dwm，直接輸出到屏幕，也就是所謂“獨占全屏”。第二個是干死dwm，win7可以直接關(guān)，win8.1和win10早期版本可以通過stopdwm軟件來關(guān)，win10晚期版本和win11不可關(guān)。第三個是改良dwm，d9ex、dx11、dx12都可以通過Flip?model來改良dwm的幀緩沖區(qū)。比方說，在60hz屏幕，游戲1000fps，緩沖區(qū)三幀的情況下，當?shù)谝粠划嫷狡聊簧蠒r，此時游戲已經(jīng)提交了更新的完整幀，此時通過算法篩選，丟棄掉本來的“第二幀”和“第三幀”，而是把這個最新的幀畫上。也就是說，只要fps高于顯示器刷新率，這樣做就一定能讓緩沖區(qū)的滯后幀廢棄，讓更新的幀進來，fps越高，最新幀搶占緩沖區(qū)內(nèi)滯后幀的概率越大。這樣，既保證了高fps意味低延遲，又可以在fps劇烈波動時依靠緩沖區(qū)內(nèi)滯后的幾幀使畫面絲滑連貫。（引用來源4）目前來說，絕大部分電競游戲沒有對此作出優(yōu)化，有一部分游戲使用硬件手段降低延遲（如配合Gsync?Freesync等）但效果并不好，僅僅能提升觀感。

但這都是理想情況，實際情況還要再復(fù)雜一些，比方說，很多游戲存在物理幀與渲染幀的錯誤耦合，導(dǎo)致當前渲染幀提交后才開始算下一個物理幀。我們通常采用低fps法來探究此類問題，當fps僅有20時，系統(tǒng)本身和硬件的延遲在巨大的幀間隔時間面前不值一提，也就是說，你在當前幀的操作，一定會在下一幀馬上反映出來。如果下一幀仍然沒有反應(yīng)，只能說你在按下的時候，物理引擎并沒有立即開始處理，當你看到?jīng)]反應(yīng)的那個“下一幀”的時候，此時才開始處理你的操作，然后會在“下下幀”看到反映。我將其命名為“跳過幀”，跳過幀在低fps會極大拉高輸入延遲，而在高fps下不值一提（畢竟幀間隔很短了）。

此外，當一個游戲出現(xiàn)cpu滿載或gpu滿載的情況下，輸入延遲會有不同程度的提升，當cpu和gpu交替滿載時最為致命，而NVIDIA?Reflex技術(shù)對于高負載下的延遲有良好的解決方案，這里既不考慮也不贅述（引用來源1）。

所以，延遲通用定理為2+500/引擎刷新率+500/fps+500/屏幕刷新率+“DWM”*2000/刷新率+“垂直同步”*2000/刷新率+1000/fps*跳過幀（ms），這個公式是比較基礎(chǔ)和理想化的的，對于opengl、vulkan、flip?model、高負載游戲會有不同程度出入。另外，F(xiàn)reesync和Gsync在fps遠高于顯示器刷新率時，對延遲幾乎無影響。

想獲得全屏低延遲，只有DX9獨占全屏；想獲得窗口低延遲，只有DX11并使用independent flip模式（引用來源6）。在win11中，無邊框全屏dx11游戲也是低延遲。Dgvoodoo2和specialk是非常強大的工具。Dgvoodoo2可以將任何游戲的渲染方式變?yōu)閐x11，但并不會帶有flip model，而specialk能為任何dx11游戲打開flip model，并提供實時的延遲顯示和幀率控制。該延遲顯示的實質(zhì)是從請求渲染到顯卡提交畫面的時間差，并不包含兩幀的間隔時間（frametime），也不包含物理運算，屏幕刷新間隔等，理想情況可低于1ms。Specialk可能在多人網(wǎng)游中存在安全風(fēng)險，如封號與筆者無關(guān)。

Win10和win11的窗口化低延遲有著極為苛刻的條件，下面列出幾個必要不充分條件：窗口不得部分超出屏幕（僅win10），窗口不得覆蓋任務(wù)欄（僅win10），不得開啟10bit色深，不得開啟HDR，不得開啟freesync，不得在前后堆疊窗口或懸浮窗，不得使用屏幕錄制錄屏，顯卡驅(qū)動不得早于2021年，若系統(tǒng)存在縮放需要禁用高dpi下的縮放。我們可以使用presentmon這款軟件，測量所有窗口化程序的畫面延遲，也可以使用specialk，測量全屏或窗口狀態(tài)下的dx11游戲畫面延遲，確保不要坑了自己。

對于延遲的探究不能只停留在機箱里，機箱外面同樣有三個物件值得注意，它們就是鼠標鍵盤顯示器。

鍵盤內(nèi)的延遲包含首字符延遲、尾字符延遲、次字符延遲、硬件燈效延遲等（引用來源5）叫首字符延遲，可以理解為兩鍵盤同時導(dǎo)通，看誰先把信息傳到電腦里，即從觸點觸發(fā)到信號導(dǎo)通。終止延遲的術(shù)語叫尾字符延遲，可以理解為兩鍵盤同時取消導(dǎo)通，看誰先把停止的信號傳到電腦里，即從觸點斷開到信號終止。次字符延遲，是鍵盤對于特定游戲的針對性延遲補償，比方說，當一個游戲短時間（0.5s）內(nèi)的連續(xù)輸入，延遲依次加3ms，那么鍵盤可以通過調(diào)整次字符為3ms，第一下敲擊故意晚一些發(fā)碼，然后幾下敲擊依次比前一次少等3ms，這樣雖然提高了整體的延遲，但是像拼圖一樣抵消了游戲的延遲特性，讓操作更加符合直覺。硬件燈效延遲即為在主控中因為處理燈光效果而造成的處理滯后，如果延遲設(shè)定過為激進則會非常不穩(wěn)定。

鍵盤的回報率數(shù)值也對延遲有較大影響，125hz相當于每8ms上傳一次信號，平均延遲4ms，1000hz則是每1ms上傳一次信號，平均延遲0.5ms，但是2000hz、4000hz、8000hz等超高回報率，對延遲的影響則不大。對于一些不采用xinput的游戲，過高的回報率反而會造成一些負面影響。

KeyResponsePK是比較鍵盤首字符延遲的常用軟件，它是由血手幽靈公司開發(fā)的開源鍵盤測試軟件（現(xiàn)源代碼與程序本體均從官網(wǎng)下架）。用一根筷子連接兩個鍵盤的不同按鍵進行壓下，軟件會自動計算出兩個信號到達的時間差，從而反映出兩鍵盤的首字符延遲差距（相對值）。壓下的時候必須要迅速，否則會讓短觸發(fā)鍵程的鍵盤有優(yōu)勢。

Keyboardtest是測試鍵盤尾字符延遲的常用軟件。舉個例子，一個16ms尾字符的鍵盤，輸入電腦總的信號長度，一定大于16ms，即使你瞬間接通和斷開，實際效果就是先等待首字符延遲，然后向電腦發(fā)信號，再等待16ms，停止信號。根據(jù)此原理，我們可以用手指反復(fù)刮鍵帽，刷“按下時間”的最小值，此數(shù)值即為鍵盤尾字符延遲。該方法并不完全準確，近年來不少鍵盤設(shè)定了“最短輸入時間”。比如說“最短輸入時間”為30ms，如果你只按了18ms就松手，鍵盤會幫你補到30ms；如果按了31ms，當你抬手后瞬間就會斷開。那么這個鍵盤應(yīng)該屬于尾字符0ms，而不是軟件所顯示的30ms。

由于上述兩種方法均存在不小的誤差，甚至測尾字符會出現(xiàn)錯誤。我們需要更強大的硬件與軟件進行測試。主流方法有兩個，第一個是高速攝影機拍示波器法，但這個方法過于昂貴且麻煩，只適用于工廠測試，且與實際體驗存在不小偏差。第二個是ultralink回傳法，電腦控制ultralink再控制繼電器模擬機械軸觸發(fā)，再通過鍵盤內(nèi)部電路傳回電腦，該方法只能用于測試機械軸而不能測試光軸，成本在500元左右，同樣不適用于普通玩家。

網(wǎng)名叫“ae”的一名外設(shè)愛好者，設(shè)計了并聯(lián)光耦測試電路。其原理是利用一個開關(guān)，絕對同時（誤差遠小于0.1ms故忽略不計）短接導(dǎo)通和斷開兩個外設(shè)的不同開關(guān)，相當于一根超級準的“筷子”。并且，由于是采用短接導(dǎo)通，不會因鍵程而產(chǎn)生誤差。并聯(lián)光耦成本僅為一毛錢，幾根跳線的成本更是直接忽略，操作十分簡便，具有可推廣性。

網(wǎng)名為“Swung0x48”的一名程序員開發(fā)了一款新的鍵盤測試軟件KeyboardLatencyTester，這款軟件使用imgui界面與每幀的觸發(fā)檢測，精度與fps成正比，一般可達0.25ms左右。結(jié)果輸出為兩個按鍵的“下壓抬起圖”與每個按鍵的“下壓抬起時間戳”，再借助Excel則可以直接計算出按下時間差與抬起時間差，同時得出首字符與尾字符數(shù)值。

“并聯(lián)光耦KeyboardLatencyTester法”不僅可以測試出首字符延遲與尾字符延遲，還可以測出外設(shè)本身的延遲穩(wěn)定程度與接口對于延遲穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，機箱后置usb口無延遲波動，顯示器、前置usb口、正常布線或混亂布線的hub，均存在1ms的延遲波動。其局限性在于，它不可以直接測試“斷開觸發(fā)型”光學(xué)開關(guān)，需要加上一個非門電路，并且數(shù)值為相對值，必須用一個延遲已知且穩(wěn)定的外設(shè)當基準。

以xm1r鼠標作為0ms首字符基準，以b820r作為0ms尾字符基準，對其他鍵盤鼠標進行測試。結(jié)果顯示，絕大部分熱插拔機械鍵盤“首20尾20”，絕大部分普通機械鍵盤“首16尾16“，棱鏡軸鍵盤“首16尾16”，游俠rx光紅“首4尾11”，雷蛇天平光軸“首6尾1”，雷蛇模擬光軸“首4尾1”，海盜船K70pro“首0尾0最短輸入時間30ms”，寧芝plum84v2“首0尾2”或“首0尾0最短輸入時間18ms”，并聯(lián)光耦電路和鼠標測試結(jié)果參看下表。

然后是顯示器，顯示器的響應(yīng)時間很重要。液晶分子的偏轉(zhuǎn)帶來顏色的變化，但這個過程是需要時間的。顯示器的刷新率決定了畫面?zhèn)鬟M來等待的時間，而響應(yīng)速度是指從開始變色到變色完成的用時。一般來說，手機的960fps慢動作攝影加上ufotest的網(wǎng)頁就可以勝任一般的測試。通過計數(shù)飛碟后殘影和個數(shù)與持續(xù)時間，一般的TN材質(zhì)屏2ms，一般ips屏10ms，fast-ips屏6ms，va屏20+ms，va屏的響應(yīng)速度太慢導(dǎo)致你觀察到變色的時候，畫面已經(jīng)滯后10ms左右了，所以va屏不適于電競游戲不僅是因為嚴重的拖影，還因為延遲太大。如果優(yōu)化得當，系統(tǒng)和鍵盤延遲總共不超過10ms，而主要矛盾，就變成了顯示器。在響應(yīng)速度跟不上的時候僅提升刷新率，是沒有任何意義的。

選擇低延遲的鍵盤鼠標顯示器，有助于游戲水平的快速提升。很多電競游戲的延遲非常之高，而不少玩家對其無感或漠不關(guān)心；現(xiàn)在的市場魚龍混雜，虛假宣傳層不出窮，掌握科學(xué)的測試手段，不被廣告牽著走，是高玩的必修課。現(xiàn)在，硬件方面，低延遲外設(shè)處在發(fā)展低谷，低延遲測試工具和結(jié)論沒有統(tǒng)一的標準，很多偽低延遲產(chǎn)品大行其道，真低延遲產(chǎn)品存在各種體驗問題；軟件方面，微軟對老電競游戲持淘汰目的，legacy?flip和independent?flip的條件有待挖掘?？聪蛭磥?，我們要推動flip?model的發(fā)展與應(yīng)用，深究獨占全屏的原理與獲取方式，發(fā)展各類wrapper，宣傳低延遲相關(guān)理論與科學(xué)方法，提升光學(xué)開關(guān)的使用體驗，與國內(nèi)OEM廠家積極溝通與合作，提高光學(xué)開關(guān)產(chǎn)品的國際競爭力，研究外設(shè)特點與游戲需求間的客觀聯(lián)系，深入研究rapid trigger技術(shù)。

參考文獻：

[1]?https://www.nvidia.cn/geforce/technologies/reflex/

[2]https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d9

[3]https://www.gamedeveloper.com/programming/fullscreen-exclusive-is-a-lie-sort-of-#methods-of-enabling-fullscreen-exclusive-mode-in-opengl

[4]https://learn.microsoft.com/zh-cn/windows/win32/direct3darticles/direct3d-9ex-improvements

[5]?https://www.bilibili.com/read/cv7465854

[6] https://wiki.special-k.info/en/SwapChain

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致謝

變形的木球（協(xié)助測試、方法指導(dǎo)）

Swung0x48（文獻翻譯、鍵盤測延遲工具開發(fā)者）

ae（并聯(lián)光耦，極大量外設(shè)測試數(shù)據(jù)）

加菲電競外設(shè)（電競導(dǎo)師、寧芝合伙人）

東方圈（前人研究成果）

血手幽靈（光軸鍵盤領(lǐng)軍者）

瑞翼鯊（光學(xué)開關(guān)領(lǐng)軍者）

方方土（很大概其的論文寫作指導(dǎo)）

馬特（協(xié)助測試）

欣小欣（好耶）

其他劃水小組成員