如何測試、分析HTC Vive、Oculus Rift的VR遊戲性能

我們將探索VR遊戲與傳統遊戲在性能要求方面的不同點

（映維網 2018年05月16日）在處理能力和用戶體驗方面，虛擬現實系統主要分爲三種類型：高質，主流和入門。高質VR表示高端VR，並且包括市場上搭載高配置的產品，高性能PC或遊戲主機。支持高質VR的主要VR外設是HTC Vive，Oculus Rift和索尼PSVR。

主流VR的硬件性能可能不及高質VR，但仍然使用PC處理器進行VR運算。入門級VR則包含Gear VR和谷歌Cardboard等移動VR設備，以及把手機芯片作爲計算設備的VR眼鏡和一體機。

本文描述了通過HTC Vive和Oculus Rift測試與分析VR遊戲的方法。與傳統PC遊戲相比，VR遊戲在設計，輸入模式和性能要求方面有所不同。本文不涉及遊戲玩法和輸入。相反，我們將探索VR遊戲與傳統遊戲在性能要求方面的不同點。

每秒處理的像素大小是衡量VR體驗的重要指標。目前HTC Vive和Oculus Rift CV1的屏幕分辨率是2160×1200，因此在進行實際渲染時，我們需要更多采樣來抵消由鏡頭畸變引起的分辨率損失。對於HTC Vive和Oculus Rift CV1，這一損失高達140％。VR處理的像素大小達到了驚人的4.57億每秒。

性能測試與分析是VR遊戲的重要組成部分。這些任務有助於實現所需的要求，並且確保充分利用所有的CPU和GPU處理能力。在測試之前，Oculus需要關閉異步空間扭曲（ASW），SteamVR則要關閉異步二次投影，這樣VR運行時補償干預將不會影響背後的性能分析。

如要禁用ASW，請在Oculus SDK中依次打開Program Files\Oculus\Support\oculus-diagnostics\OculusDebugTool.exe，然後運行OculusDebugTool.exe。

圖1：異步空間扭曲配置

如要在SteamVR中禁用二次投影功能，請使用Settings/Performance（設置/性能）。

圖2：SteamVR配置

1. 工具

軟件工具在測試與分析VR遊戲中扮演着重要角色。所涉及的主要工具包括Fraps，遊戲加加，Unreal的控制檯命令，Windows Assessment and Deployment Kit（ADK），SteamVR幀定時，以及英特爾的圖形性能分析器。

1.1 Fraps FPS（幀每秒）計數器

Fraps FPS（幀/秒）計數器是一種傳統的測試與幀時工具，開發者可以利用它來測試一段時間內的最大幀速率，最小幀速率和平均幀速率。最終結果可以輕鬆導入至Excel，並且生成相應的圖表。如下圖所示，我們可以看到幀速率在整個過程中的變化是否平滑。另外，Fraps可支持你方便地截取屏幕截圖，然後用於各種報告目的。

圖3：（頂部）隨時間變化的幀速率；（底部）最大幀速率，最小幀速率和平均幀速率。

圖3的底部說明了Fraps隨時間推移而產生的最大幀速率，最小幀速率和平均幀速率。

如數據顯示，這款VR遊戲中的幀率在大部分時間都很低，僅爲45FPS，不符合HTC的要求。對於這種性能表現，玩家會遭遇不適，甚至是暈動症（爲了防止用戶產生不適或暈動症，體驗要求達到90 FPS的穩定幀速率）。這時，我們可以使用Windows ADK中的GPUVIEW來確定問題是來自於GPU，還是說CPU。

1.2 遊戲加加

雖然Fraps是免費共享軟件，但它已經有很長時間沒有更新。遊戲加加是一款類似的基準工具。在運行該實用程序時，工具窗口會自動顯示在遊戲窗口的頂部，其信息包括FPS，CPU溫度，圖形佔用率，CPU，顯卡和內存使用情況等等。Fraps的另一個缺點是它不能用於測試DirectX 12遊戲，但你可以使用另一個工具PresentMon來採集FPS數據。

圖4：遊戲加加的實時數據顯示界面

頂部的工具窗口提供對正在運行的遊戲及其性能的實時監控。但Fraps和遊戲加加都是爲傳統遊戲設計，只能在顯示器上顯示數據。

1.3 Unreal引擎工具

佩戴VR頭顯的玩家無法看到顯示器上的信息，如果想看到實時性能數據，我們有兩種選擇：

1.如果遊戲基於Unreal引擎，請使用stat fps控制檯命令。

2.使用SteamVR幀定時方法，這可以幫助你在頭顯和顯示器上看到實時性能數據。SteamVR幀時間設置請訪問Valve官網（點擊前往）

圖5顯示了SteamVR幀定時數據。

圖5：頭顯顯示器中的丟失幀。

如圖5所示，當遊戲場景幀出現丟幀時，頭顯將顯示一個“Missed Frames（丟幀）”框。紅條密度越高，出現丟幀的頻率越高。

圖6：PC上運行的CPU和GPU。

圖6顯示了更詳細的數據。在數據讀出方面，藍色表示GPU渲染時間，而茶色則代表了GPU空閒時間。

如圖6所示，某些幀的GPU渲染時間超過了11.11毫秒，這將錯過Vsync（垂直同步）的時間並導致丟幀。這些幀無法達到90 FPS。藉助這個SteamVR幀定時工具，我們可以知道更多關於GPU Bound（限制）的信息，但它無法確定CPU渲染線程是否沒有及時傳遞渲染命令，從而導致GPU冒泡（bubble）或者GPU渲染時間過長。

1.4 Unity Engine的控制檯命令工具

如果遊戲是通過UE4引擎開發，而且屬於開發版本（非發行版本），我們就可以使用Unity的控制檯命令工具來瀏覽遊戲的實時性能數據。

你可以按下“〜鍵（鍵盤左上角）”來顯示命令行窗口。以下是一些常用的控制檯命令：

Stat FPS：顯示每幀的FPS和幀時間。這個命令很容易在VR中使用，因爲幀速率顯示在VR頭顯上，測試人員可以方便地觀察遊戲的實時性能。

Stat Unit：顯示遊戲中每幀的總時間，遊戲邏輯線程消耗的時間，遊戲渲染線程時間消耗，以及GPU時間消耗。一般來說，如果一個幀的時間消耗接近於邏輯線程的時間消耗，瓶頸限制位於邏輯線程；但如果一個幀的時間消耗接近渲染線程時間，則瓶頸限制在於渲染線程。如果兩個時間都接近GPU時間，瓶頸限制就與顯卡有關。

圖7：Stat Unit命令的截圖。

Stat SceneRendering：顯示遊戲渲染線程中的各種參數值（參見圖8）。

圖8：Stat SceneRendering命令的截圖。

Stat Game：遊戲邏輯線程上運行的參數值實時視圖，如人工智能和內存分配等等（參見圖9）。

圖9：Stat Game命令的截圖。

Stat GPU：實時顯示每幀中的GPU主渲染內容的時間參數（參見圖10）。

圖10：Stat GPU命令截圖

Stat InitViews：顯示剔除需要的時間和效率數據（參見圖11）。

圖11：Stat InitViews命令的截圖。

Stat LightRendering：顯示照明和着色所需的渲染時間（參見圖12）。

圖12：Stat LightRendering命令的截圖。

其他命令（如Stat A和Stat）可以從Unreal官方網頁中引用：

https://docs.unrealengine.com/udk/Three/ConsoleCommands.html
https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Engine/Performance/StatCommands/

1.5 GPUVIEW工具

我們可以使用Windows ADK中的GPUVIEW和Windows性能分析器（WPA）來執行進一步的分析。

在上述命令中，Stat Unit初步說明了幀是GPU Bound還是CPU Bound。有時結果不夠準確，例如當CPU的一個線程造成一個GPU幀中間冒泡（bubble）。如果發生這種情況，在Stat Unit命令中看到的GPU渲染時間實際上屬於實時渲染時間和冒泡時間的擴展。在這種情況下，我們需要GPUVIEW和WPA進行分析。

如圖13所示，每個幀中間都有一個2毫秒的冒泡，因此GPU不能正常工作。最初的幀渲染時間小於11毫秒，但隨着冒泡的渲染時間超過90 FPS所需的11.1毫秒，這導致下一幀丟失Vsync時間。結果則是出現了幀丟失。