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CN109304031A - 一种基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台 - Google Patents

一种基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台 Download PDF

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CN109304031A CN201811092449.XA CN201811092449A CN109304031A CN 109304031 A CN109304031 A CN 109304031A CN 201811092449 A CN201811092449 A CN 201811092449A CN 109304031 A CN109304031 A CN 109304031A
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Abstract

本发明公开了一种基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台,本发明将原来仅能在PC机上正常运行的联网游戏放置在一个服务器上并运行,并将游戏的实时界面发送到玩家智能终端上,玩家通过操作自己的智能终端,将操作信息发送给服务器实现对游戏的操控。从而实现在例如智能手机、机顶盒等智能终端上远程玩游戏的目的,让云游戏成为可能,改变现有的玩游戏的方式,让游戏产业扩展到另一个领域。

Description

一种基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台
技术领域
本发明属于计算机领域,具体涉及一种基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台。
背景技术
随着计算机技术的不断发展,各类联网游戏层出不穷,以便于为用户提供更丰富的娱乐方式。其中联网游戏是指人们通过互联网或者移动通信等通信手段参与联机游戏的一种娱乐方式。联网游戏由其便捷性、广泛性,迅速成为网络文化市场的支柱产业,不但超过传统文化产业,而且以相当快的速度在增长。因此如何更好地向玩家提供联网游戏服务以繁荣网络文化市场是当前信息技术发展的重要需求之一。
联网游戏不仅以其独特的优势和手段提供了信息时代文化产业的新经济增长点,而且还以其对人的吸引力,使手机、个人数字设备等电子行业的厂家凭借游戏功能获得产品的增值,使网络等媒体的广告获得几倍次的浏览量,使网站因此而得到了盈利,电子游戏相关产品的推出带动了新的服务产业,为社会提供了大量的就业岗位。
当前的联网游戏,要么是基于PC机的大型游戏,要么是基于手机的手游,且目前玩游戏的方式很单调,安卓手机只能玩安卓游戏,PC机只能玩PC游戏,这对于整个游戏行业的发展是十分不利的,对于一款火爆的游戏,要同时开发多种版本,而满足不同智能设备的需求,但同时对于智能设备的硬件需求也提出了严格的要求,比如智能手机,如果想玩一款大型网络游戏,其对于手机硬件的内存、处理器等提出了一定要求,否则用户得不到很好的游戏体验,同时,如果客户提出这样一个需求,能否在手机上玩不适合安装在自己智能设备上的游戏,虽然可能存在适用于手持终端的同类型游戏,但对于一些玩家来说,还是热衷于其中的一款,而适应安装于PC终端的游戏对于PC的硬件需求也是有一定要求的,除了这些需求外,玩家更想要的是坐着去玩PC机的游戏等等要求,这就让游戏产业的发展有了一定的限制,虽然可以对各种游戏开发出不同的版本,但是会耗费大量的资金投入与时间消耗。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,实现一种在例如智能手机、机顶盒等智能终端上远程玩游戏的目的,让云游戏成为可能,改变现有的玩游戏的方式,让游戏产业提升到另一个领域。
本发明的基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台,包括客户端、登录服务器、数据库服务器、游戏大厅服务器、游戏服务器和流媒体服务器;
其中,所述客户端为用户进行联网游戏的操作端,并向游戏服务器发送游戏操作控制数据(如通过远程操作钩子,实现操作控制信息的数据传输);以及接收来自流媒体服务器的游戏数据并存入本地的数据接收缓冲区;客户端从数据缓冲区中读取游戏数据并进行解码处理,对解码后的游戏数据进行音视频同步处理后进行图像渲染处理;
登录服务器与数据库服务器连接,用于对接入的客户端上的用户进行登录验证,并根据客户端的登录地址为登录验证通过的客户端分配匹配的游戏大厅服务器;其中,匹配的方式为:游戏大厅的负载最小且与客户端的连接时延最短;所述数据库服务器存储有用户的登录信息(登录账户及密码);
游戏大厅服务器用于为接入的客户端在满足预设负载均衡条件下分配游戏服务器,并将分配信息返回给客户端;即在登录服务器分配游戏大厅服务器后,客户端向所分配的游戏大厅服务器发起连接请求,建立连接,然后该游戏大厅服务器在满足负载均衡的条件下为客户端上的用户提供各种联网游戏所在的真实服务器(即游戏服务器)位置,游戏服务器上建立有多个虚拟机(游戏运行虚拟服务器),一个虚拟机对应一个客户端;
客户端向分配的游戏服务器发起游戏请求,所述游戏服务器为请求的客户端分配一个虚拟机以运行客户端选择的联网游戏软件;且游戏服务器将客户端与虚拟机的对应关系实时发送给流媒体服务器;同时,所述游戏服务器上的虚拟机基于来自客户端的操作控制数据实时运行联网游戏软件;
流媒体服务器用于对游戏服务器上运行的联网游戏的游戏数据进行实时采集,采集的游戏数据包括音频和视频数据;并采用多线程的方式,在不同的线程中分别对采集的音频和视频数据进行编码处理,再对编码后的视频和音频数据进行封装并通过实时消息传输协议将封装后的数据传输至对应的客户端;且在视频数据编码时,对所述视频数据直接采用I帧与P帧编码的方案;在传输时,实时检测网络的拥塞状态,若存在拥塞,则减小码流的传输速率;若拥塞消失,则增加码流的传输速率。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明实现了一个基于智能终端的云游戏平台,解决在不同智能设备上都可以玩大型网络游戏的技术问题,从而解放玩家的智能设备,即玩家没有必要再为玩一款游戏,而花太多价钱买一款很好的设备;同时解决了游戏研发中不同版本开发的工作,即游戏研发只需要开发一款基于一种智能终端的版本即可,从而减少游戏研发的周期以及其他各种维护工作,而且降低游戏研发的成本。
附图说明
图1是本发明的网络架构示意图;
图2是本发明的服务器架构图示意图;
图3是本发明的整体拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合实施方式和附图,对本发明作进一步地详细描述。
本发明的主要思想是利用流媒体技术、虚拟化技术以及远程控制的相关技术,来实现一个虚拟化云游戏平台,将大型联网游戏(适应安装于PC终端)放置在一个虚拟服务器上,然后在虚拟服务器上去运行这些联网游戏,把联网游戏的实时界面发送到玩家智能终端上,玩家去操作自己的智能终端,把操作信息发送给虚拟服务器实现对游戏的控制功能,这样就满足了玩家的需求,而且让自己的智能终端硬件设备得到大大的解放。本发明的大致实现过程为:首先设置一个虚拟化服务器,用来为多个客户进行服务,例如使用虚拟化技术Xen实现一个虚拟化服务器;然后对于服务器上的游戏画面进行编码封装并通过实时消息传输协议(RTMP,Real Time Messaging Protocol)进行数据传输,本发明中,优选开源库ffmpeg(用来记录、转换数字音频、视频,并能将其转化为流的开源计算机程序)实现编码封装;同时,设置对应的客户端,用于接收虚拟服务器传输的数据,并进行图像渲染,音视频同步等相关工作,本发明中,优选QT(跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架)做客户端研发;此外,本发明还通过使用相应的远程操作钩子,将控制信息进行数据传输等工作,其中包括了许多相关技术的优化来实现本发明的实时性效果。
本发明为了解决云游戏的实时性需求,这一块目前是比较新兴的应用方向,而目前现有技术里面,在解决远程控制以及直播系统中使用到的流媒体技术,其实时性没有太高的要求,一般在500ms的延迟都是可以接受的,但是在游戏行业里面,延迟只有在小于100ms的情况下,才能给玩家一个比较好的游戏体验,所以本发明通过优化相关技术,使整个流媒体的传输延迟缩小到100ms范围以内,使得整个云游戏平台能够应用在云游戏的环境中,并能产生不错的效果。本发明的具体优化方案包括以下内容:
(1)首先对于流媒体传输协议的选择,根据相关方案的调研以及各种实时流媒体传输协议的比较,本发明采用了RTMP协议作为本发明的传输协议,虽然RTSP(Real TimeStreaming Protocol)或RTP(Real-time Transport Protoco)协议也能够完成流媒体数据的传输并且也能达到很好的实时性,但是对于国内目前CDN(内容分发网络)网络的分布情况,以及对RTMP协议的支持效果要比其他两种协议要好,并且RTMP的传输层协议是TCP实现的,其为一种可靠传输协议,所以使用RTMP协议可以避免丢包情况的出现,另外,本发明中加入了网络自适应算法,通过对网络进行探测,若发生拥塞现象,则通过参数设置,减小码流的传输速率,并且通过设置参数将图像的压缩比随之提升以降低图像的分辨率,这样可以减少数据的传输量,并避免拥塞现象的产生,从而提高图像的传输速率以及显示速率,而减小延迟,相似的,当拥塞状况消除后,通过一个加法因子,增加码流的传输速率,与此同时,可以探测性的降低图像的压缩比和随之增大分辨率,使得在网络环境比较好的情况下让游戏玩家有一个高清的游戏体验。通过这几种方式来解决流媒体传输过程中出现的卡顿、花屏等现象的出现,而为玩家提供一个流畅的游戏环境。
(2)同步音视频的编码与解码。在整个方案实现过程中,如果采用串行的方式进行编程,那么整个程序将会有很多循环,并且在编解码的循环中,经常会出现长时间等待的现象,并且本来图像编码与解码就是一个很耗时间的操作,所以为了能够降低整个云游戏平台在这一块的延迟开销,本发明的云游戏平台首先通过多线程的方式,将图像的编解码与音频的编解码区分开来,在不同的线程中进行操作,这样可以同时进行音视频的编解码操作,而大大减少等待时间,为了能够提高图像的编码效率,在服务器上使用GPU(图形处理器),对图像编码进行加速,这样更能降低这一块的延迟,通过运行测试,本发明编码一帧图像的延迟只需要在15ms左右的时间。
(3)对于数据缓存的设置。对于发送端数据缓存区与客户端接收缓存区的设置,也会影响到整个云游戏平台的时延问题,因为如果发送端数据缓存区设置的太小,将会导致数据存放不完整或者缓存区数据已满而存不下等问题,而发送缓冲区设置的太大,则会导致数据发送等待时间过长或数据粘包等问题的出现,所以为了解决这样的问题并且为了提高整个云游戏平台的实时性,本发明的做法是在服务器端不设置数据缓存区,即将音视频数据编码完成后使用RTMP协议将数据及时传输出去,而在客户端上设置一个相应的数据接收缓冲区,客户端在这个缓冲区中读取数据进行相应的解码与音视频同步等操作,这样将在一定程度上提高数据的传输效率。
(4)在图像编解码的技术上,本发明采用的是相对比较成熟的H.264,在编码过程中,其底层的实现机理是帧内预测与帧间预测相结合的技术,及将多张图像分为I,P,B帧,其中I帧为主帧,又称帧内编码帧,是一种自带全部信息的独立帧,无需参考其他图像便可独立进行解码;P帧又称帧间预测编码帧,表示的是当前帧画面与前一帧(前一帧可能是I帧也可能是P帧)的差别;B帧又称双向预测帧,即B帧记录的是本帧与前后帧的差别,其实现方法主要是通过前向与后向预测,但这种实现方法会产生很大的编码延迟,所以为了提高实时性,本发明在编解码的时候放弃了B帧编码技术,而直接采用了I帧与P帧编码的方案。
参见图1,本发明的基于异构智能终端的虚拟云游戏平台分为三层网络架构:表示层、业务逻辑层和数据访问层;用户通过本发明设置的客户端,实现对联网游戏的玩家操作,在表示层主要为客户端的UI(用户界面)设计以及服务器端进行游戏的图像画面,而在业务逻辑层主要包括了客户端与服务器各模块的子系统开发,数据访问层主要是存储玩家账号等相关数据。
参见图2,本发明的虚拟服务器为分布式系统设计,当有客户连接时,首先要进行账号登陆,这时客户端连接的是登陆服务器,该登陆服务器与数据库服务器相连,负责查询登陆账号密码是否正确,注册账号是否有效等任务,登录服务器还负责根据客户登陆的地址进行分配游戏大厅服务器为之进行服务,使得满足该游戏大厅的负载最小,并且与客户的连接时延最短。
游戏大厅服务器又相当于是一个前台机,该服务器负责提供各种游戏所在的真实服务器的位置,且提供各种负载均衡算法来保证后面的各台游戏服务器的负载均衡。
游戏服务器是用于真正运行各种游戏的机器,该服务器负责运行各种游戏,并且通过流媒体服务器将音视频信息实时传输出去。游戏服务器采用虚拟技术,为每个接入的客户端分配一个虚拟机运行其所选择的游戏,并将客户端与虚拟机的对应关系发送至流媒体服务器,以供流媒体服务器将对应的游戏运行数据(画面和音效)实时传输至对应的客户端;同时,游戏服务器接收客户端发过来的操作控制信息,虚拟服务器基于收到的操作控制消息完成对游戏的各种操作。
为了保证数据传输的连续性,本发明的云游戏平台中安置了流媒体服务器,负责专门的音视频数据的传输和缓存。
本发明的整个拓扑结构图如图3所示,主要为客户端的开发与服务器相关的开发与搭建工作,其主要方法包括:
(1)搭建虚拟化服务器,本虚拟化服务器的搭建工作主要是使用了Xen虚拟化技术,在一台物理机上搭建多个虚拟服务器,在每个虚拟服务器上搭建相应的游戏平台,该游戏平台中安装了相应的游戏应用软件。
(2)对游戏平台的数据采集与传输。这一模块是本发明云游戏平台开发中的一个重要环节,其相当于是本发明研发的CS模型中的S模块,在该模块中,其主要负责了截取游戏画面和音频,然后对游戏画面与声音进行编码、数据压缩和数据封装,再利用实时传输协议RTMP进行数据传输。本模块的研发主要采用的是ffmpeg开源库进行开发,然后对相关技术进行优化来提高实时性,利用多线程的相关技术来提高编解码效率,采用实时传输协议对相关数据进行传输。
(3)客户端程序研发。客户端程序是利用QT做相关技术开发,其主要包括了利用实时传输协议进行数据的接收,以及做数据的解码、缓存和同步工作,最后利用QT的图像渲染技术做图像渲染的工作。
本发明的重点是如何能够降低延迟,来满足整个系统的需求,基于本发明中用到的相关技术,做系统优化方面的工作,其具体优化包括对于编解码技术中编解码方式选取以及其中相关参数的优化,以及对于数据缓存等方面的设置,以及利用多线程等方面的技术来提高编解码的效率。
从而使得安装有本发明的客户端程序的不同终端(MAC机(苹果电脑)、平板电脑、智能手机和机顶盒等)均可以接入本发明的云游戏平台,通过本发明的流媒体服务器获取实时的游戏画面及音效,客户端再将用户对游戏的操作控制信息发送给对应的游戏服务器,以获得良好的联网游戏体验。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.基于异构智能终端的虚拟化云游戏平台,其特征在于,包括客户端、登录服务器、数据库服务器、游戏大厅服务器、游戏服务器和流媒体服务器;
其中,所述客户端为用户进行联网游戏的操作端,并向游戏服务器发送游戏操作控制数据;以及接收来自流媒体服务器的游戏数据并存入本地的数据接收缓冲区;客户端从数据缓冲区中读取游戏数据并进行解码处理,对解码后的游戏数据进行音视频同步处理后进行图像渲染处理;
数据库服务器用于存储用户的登录信息;
登录服务器与数据库服务器连接,用于对接入的客户端上的用户进行登录验证,并根据客户端的登录地址为登录验证通过的客户端分配匹配的游戏大厅服务器;其中,匹配的方式为:游戏大厅的负载最小且与客户端的连接时延最短;
游戏大厅服务器用于为接入的客户端在满足预设负载均衡条件下分配游戏服务器,并将分配信息返回给客户端;
客户端向分配的游戏服务器发起游戏请求,所分配的游戏服务器为请求的客户端分配一个虚拟机以运行客户端选择的联网游戏软件;且游戏服务器将客户端与虚拟机的对应关系实时发送给流媒体服务器;同时,所分配的游戏服务器上的虚拟机基于来自客户端的操作控制数据实时运行联网游戏软件;
流媒体服务器用于对游戏服务器上运行的联网游戏的游戏数据进行实时采集,采集的游戏数据包括音频和视频数据;并采用多线程的方式,在不同的线程中分别对采集的音频和视频数据进行编码处理,再对编码后的视频和音频数据进行封装并通过实时消息传输协议将封装后的数据传输至对应的客户端;且在视频数据编码时,对所述视频数据直接采用I帧与P帧编码的方案;在传输时,实时检测网络的拥塞状态,若存在拥塞,则减小码流的传输速率;若拥塞消失,则增加码流的传输速率。
2.如权利要求1所述的云游戏平台,其特征在于,流媒体服务器在进行视频数据编码时,若监测到当前网络拥塞,则降低视频图像的分辨率后再进行视频数据编码。
3.如权利要求1所述的云游戏平台,其特征在于,所述流媒体服务器使用GPU对视频数据编码进行加速。
4.如权利要求1所述的云游戏平台,其特征在于,所述客户端采用QT的图像渲染技术进行图像渲染处理。
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