探索新技術(shù)，服務(wù)新明天

當(dāng)前游戲行業(yè)還有很多技術(shù)難題尚未攻克。很多國產(chǎn)游戲在引擎渲染、服務(wù)器性能等方面還留有不小的提升空間，玩家和行業(yè)心心念念的國產(chǎn)3A大作，至今也未能成批誕生。此外，競技類產(chǎn)品仍面臨外掛等問題。

中國游戲行業(yè)快速發(fā)展的近30年間，我們的成功碩果也是琳瑯滿目?；蛟S有時候問題并不在于起點(diǎn)、發(fā)展軌跡的不同，可能更多還是我們探索與發(fā)現(xiàn)的不夠。

在2022N.GAME網(wǎng)易游戲開發(fā)者峰會技術(shù)驅(qū)動分論壇上，網(wǎng)易互娛引擎部技術(shù)專家許飛表示，UE的Dedicated Server（DS）可以執(zhí)行完整的動畫更新，讓服務(wù)器獲得角色的姿態(tài)信息。據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的受擊判定和較好的聯(lián)機(jī)公平性。然而動畫系統(tǒng)的較大開銷也對優(yōu)化提出了挑戰(zhàn)。

本次峰會，他從服務(wù)器性能優(yōu)化的意義和現(xiàn)狀、業(yè)界常見優(yōu)化的方法、復(fù)雜的動畫狀態(tài)機(jī)優(yōu)化做法、服務(wù)器動畫的發(fā)展和未來等四個角度，講述了如何構(gòu)建公平的聯(lián)機(jī)環(huán)境，提升服務(wù)器動畫性能。

以下是網(wǎng)易互娛引擎部技術(shù)專家許飛演講全文，略經(jīng)編輯：

服務(wù)器動畫技術(shù)，防外掛的利器

大家好，我是來自網(wǎng)易互娛技術(shù)中心的許飛。

今天我的分享內(nèi)容主要有四個部分：服務(wù)器性能優(yōu)化的意義和現(xiàn)狀；我們將會探討一下看看業(yè)界常見優(yōu)化的方法；我們會著重來講一下我們在復(fù)雜的動畫狀態(tài)機(jī)優(yōu)化方面的一些做法；展望一下服務(wù)器動畫一些發(fā)展和未來。

首先進(jìn)入第一部分。很多有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者可能會有疑問，服務(wù)器需要跑動畫嗎？這是一個好問題，因?yàn)楝F(xiàn)在大多數(shù)游戲其實(shí)服務(wù)器是沒有跑動畫的。

在傳統(tǒng)觀點(diǎn)中，動畫和渲染特效一樣。它是屬于表現(xiàn)層次，只要客戶端看就可以了。

有限的幾種需要動畫參與的邏輯，比如打擊部位的判定，服務(wù)器不跑但客戶端還是有動畫。我們讓客戶端來進(jìn)行判斷，然后把結(jié)果發(fā)送給服務(wù)端，也能實(shí)現(xiàn)一樣的效果。這也是我們以前常見游戲的做法。

需要提出的是，這一方法需要建立在網(wǎng)絡(luò)必須是可信任的前提下，但實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并非如此。

根據(jù)Peter Steiner在1993年發(fā)布于紐約客上的一副圖畫，它被認(rèn)為揭示了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的復(fù)雜性?；ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境是繽紛多彩的，這給網(wǎng)絡(luò)游戲的發(fā)展提供了肥沃的土壤。與此同時，互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性也給游戲開發(fā)者造成了很大的挑戰(zhàn)。

例如在游戲外掛方面。在競技類游戲中，如果玩家一旦使用外掛，就會對游戲的公平性造成毀滅性打擊。那么有沒有一種辦法能夠有效地防止或者說反外掛呢？答案是有的。一個有效的方法叫做服務(wù)器權(quán)威。

簡單介紹下其中思路。外掛是通過劫持游戲客戶端來實(shí)現(xiàn)一些非法操作，相對于玩家客戶端來講，我們的服務(wù)器是在經(jīng)過嚴(yán)密保護(hù)的機(jī)房里，一般的外掛開發(fā)者很難劫持我們的服務(wù)器。

如果我們把關(guān)鍵的邏輯都放在服務(wù)器上面，客戶端僅僅作為一個指令的輸入者，我們就可以防止大部分外掛的操作。

那為什么現(xiàn)在大多數(shù)游戲沒有選擇這種做法？這就需要考慮到很多現(xiàn)實(shí)問題，例如在游戲各種不同系統(tǒng)開銷層面，包括數(shù)據(jù)量的大小、更新頻率的高低等。

我們可以看到，很早期的服務(wù)器其實(shí)只會保存等級之類的信息。發(fā)展了一段時間之后，服務(wù)器就可以保存裝備、技能等信息。而在動畫方面，它需要的數(shù)據(jù)量和更新頻率都很龐大，這對算力的要求十分高。

簡單來說，如果我們簡單的把動畫從客戶端挪到服務(wù)器，在沒有優(yōu)化的情況下會導(dǎo)致服務(wù)器直接跑不起來?；谶@樣尷尬的現(xiàn)實(shí)，很多游戲都沒有在服務(wù)器開啟動畫。

那隨著技術(shù)的發(fā)展，是否存在讓服務(wù)器搭載動畫變成可能呢？我們稍微梳理下過往的產(chǎn)品歷史。

我們收集了一段時間來服務(wù)器每條線程的成本，其中2007年、2016年和2020年的比較典型，同時這三年也誕生出三款典型的射擊游戲。

從2007年到2016年，我們服務(wù)器單線程的成本大概降到了原來的1/3，2016年到2020年的成本更是降到了原來的1/2。2007年《穿越火線》發(fā)布，它的服務(wù)器幾乎沒有跑任何動畫相關(guān)的東西，2016年的《守望先鋒》跑了一部分。

而2020年發(fā)布的《瓦羅蘭特》，它的服務(wù)器是完全跑動畫的。什么意思呢？它會完全計算角色在服務(wù)器上的狀態(tài)。此前，該款游戲的的主程在分享中也明確說到，他們這樣做就是為了反外掛。

因?yàn)榉?wù)器只有有了非常全面的動畫信息，我們在判定受擊的時候，才不至于被客戶端的外掛所欺騙。

我們也相信，隨著技術(shù)發(fā)展，服務(wù)器動畫的邏輯執(zhí)行程度會越來越高。

基于事件更新姿態(tài)，開銷下降75%

既然要在服務(wù)器跑動畫，就需要優(yōu)化它的動畫開銷。

而動畫系統(tǒng)開銷組成部分包括：條件更新、狀態(tài)更新和姿態(tài)更新。

對于一個動畫系統(tǒng)來講，它其實(shí)可以理解成這個系統(tǒng)接收外界的輸入，然后更新內(nèi)部狀態(tài)，最后計算出模型的姿態(tài)。

首先是輸入部分，一般為角色速度或者角色狀態(tài)，當(dāng)前是釋放技能還是做其它也好。動畫狀態(tài)，比如說角色的速度變化，可能從一個靜止?fàn)顟B(tài)變成一個跑動狀態(tài)，或者說從跑到跳的狀態(tài)變化，最后再由這些狀態(tài)計算出角色姿態(tài)。姿態(tài)就是美術(shù)K幀計算出角色最終的樣子。

根據(jù)數(shù)據(jù)量和更新頻率兩方面來計算，這三部分中開銷最大的是姿態(tài)部分。因?yàn)槊總€人骨骼都有朝向、旋轉(zhuǎn)和位置等眾多屬性，并且它幾乎是每幀都要變化。

目前，業(yè)界常見的優(yōu)化方式也正是針對這一塊進(jìn)行的。其中最簡單最直接了當(dāng)?shù)募碙OD，它主要是減少了動畫的數(shù)據(jù)量。例如對服務(wù)器判斷受擊沒有任何作用的這些骨骼，我們把它去掉，一般可以減少20%-30%的開銷。

除了減少數(shù)據(jù)量之外，我們還可以減少數(shù)據(jù)的更新頻率?；谑录淖藨B(tài)更新就是在減少姿態(tài)計算頻率，例如《瓦羅蘭特》就采用了這一技術(shù)。

簡單來說，只有當(dāng)角色被擊中的瞬間，才會計算模型姿態(tài)，這種優(yōu)化就極大的減少了姿態(tài)更新的頻率。它可以把姿態(tài)更新的開銷從84%直接降到9%。

做到這一步，你就可以在服務(wù)器上來跑動畫了?？赡軙幸欢ǖ拈_銷，但是不至于說完全跑不起來。這就是業(yè)界我們常見的一些優(yōu)化方式

UE藍(lán)圖+人工標(biāo)注，取巧優(yōu)化性能

當(dāng)姿態(tài)更新的開銷降下來后，亟需解決的則是動畫狀態(tài)的更新。

如果一個角色有很多復(fù)雜的動畫邏輯，那么導(dǎo)致狀態(tài)機(jī)情況也會非常的復(fù)雜。這樣的開銷甚至?xí)^11%。接下來，我們將著重來講述如何來優(yōu)化復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)。

我們先看一下狀態(tài)機(jī)是什么樣子。以UE為例，首先它里面有走跑跳等一些狀態(tài)。

例如從跳起來到落地的狀態(tài)過程，它大概可分成三部分：第一部分Find_Transitions，角色從當(dāng)前狀態(tài)來找一個可能的跳轉(zhuǎn)條件；第二部分，如果這個條件為真，有一個跳轉(zhuǎn)可能發(fā)生，那么就執(zhí)行這個跳轉(zhuǎn)；第三部分，兩種狀態(tài)之間可能會有的一些過渡。

我們再看看如何優(yōu)化。首先是狀態(tài)過渡的優(yōu)化。以上述Locomotion為例，至少有兩種過渡模式。

一種是角色上一個狀態(tài)權(quán)重逐漸降低，下一個狀態(tài)權(quán)重逐漸升高，那這樣權(quán)重會出現(xiàn)一個交叉。我們稱之為Cross Fade。在此過渡過程中，它的兩個狀態(tài)權(quán)重都不為0，所以必須更新這兩種狀態(tài)。另外，如果兩個狀態(tài)中間又嵌套了別的狀態(tài)機(jī)，也一定都要更新。

第二種方式，有的引擎稱它為Immediate模式，或者叫做Inertialization模式。

簡單解釋下，假如角色還在空中跳，下一刻要落地，該怎么辦。我把空中跳的這個狀態(tài)拍個快照，直接不再更新它，接下來下一個狀態(tài)的權(quán)重逐漸從0升到1。通過這種方式，我們只需要更新下一個狀態(tài)。

基于這些優(yōu)化之后，狀態(tài)更新的開銷大概能降低10%左右。那在尋找一個可能跳轉(zhuǎn)的條件情況下，我們又該怎樣優(yōu)化？

還是以從空中到落地這段時間為例，如何決定接下來下一步需要著陸。這個條件有兩種寫法：

一種是直接接受了一個Bool值；第二種通過大于小于表達(dá)式判斷角色速度是否發(fā)生變化，再來來決定是不是跳轉(zhuǎn)。

根據(jù)UE官方的提示，這兩種方法的效率大概會相差10倍。原因在于，前者直接使用Bool值來判斷，會編譯成本地代碼。后者編譯的是虛擬機(jī)代碼，經(jīng)過藍(lán)圖虛擬機(jī)來執(zhí)行才能判斷其中的結(jié)果。

需要提出的是，相比之下，Python、lua這樣的非本地代碼，性能本來就低。而過多地使用非本地化語言寫條件，也會給狀態(tài)機(jī)的更新造成很大的性能開銷。當(dāng)然，我們也可以通過人工的方式，將這部分判斷轉(zhuǎn)換成本地化代碼，從而獲得一定的性能提升。

而在UE中，開發(fā)者可以使用Nativization等工具，自動化地將藍(lán)圖代碼轉(zhuǎn)換成本地化代碼。對于動畫狀態(tài)機(jī)而言，這其實(shí)會帶來10%左右的性能提升。

那還有沒有更有效的優(yōu)化方法呢？這就要在狀態(tài)跳轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)下功夫了。

通過進(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)條件其實(shí)也分為兩類。一類是它依賴玩家的輸入；另一種條件則是依賴動畫播放進(jìn)度。我們可以優(yōu)化前者的更新頻率，因?yàn)橥婕逸斎腩l率不高，可以直接省掉更新。具體地，可以通過在UE藍(lán)圖中進(jìn)行人工標(biāo)注標(biāo)明可優(yōu)化的跳轉(zhuǎn)信息。

在藍(lán)圖編譯的時候，利用這些標(biāo)注能夠更容易把優(yōu)化代碼給插進(jìn)去，這樣最后生成的代碼就是優(yōu)化后的代碼。經(jīng)過測試，大概會有70%的優(yōu)化。

總言之，雖然現(xiàn)在真正應(yīng)用服務(wù)器動畫的游戲并不多，但按照當(dāng)前的發(fā)展趨勢，這會是一個比較有前景的領(lǐng)域。它可以提供更公平的聯(lián)機(jī)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)更細(xì)致的交互。現(xiàn)在行業(yè)所提出的云游戲、元宇宙等，很難想象會沒有動畫。這也是服務(wù)器性能優(yōu)化當(dāng)下及未來的陣地。

「搬小板凳上課了?」

N.GAME是由網(wǎng)易互娛學(xué)習(xí)發(fā)展舉辦的一年一度行業(yè)交流盛事，至今已成功舉辦七屆。本屆主題為“未來已來The Future is Now”，邀請了20位海內(nèi)外重磅嘉賓、高校學(xué)者匯聚一堂，共享行業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)、前沿研究成果和未來發(fā)展趨勢。