如何测试、分析HTC Vive、Oculus Rift的VR游戏性能

我们将探索VR游戏与传统游戏在性能要求方面的不同点

（映维网 2018年05月16日）在处理能力和用户体验方面，虚拟现实系统主要分为三种类型：高质，主流和入门。高质VR表示高端VR，并且包括市场上搭载高配置的产品，高性能PC或游戏主机。支持高质VR的主要VR外设是HTC Vive，Oculus Rift和索尼PSVR。

主流VR的硬件性能可能不及高质VR，但仍然使用PC处理器进行VR运算。入门级VR则包含Gear VR和谷歌Cardboard等移动VR设备，以及把手机芯片作为计算设备的VR眼镜和一体机。

本文描述了通过HTC Vive和Oculus Rift测试与分析VR游戏的方法。与传统PC游戏相比，VR游戏在设计，输入模式和性能要求方面有所不同。本文不涉及游戏玩法和输入。相反，我们将探索VR游戏与传统游戏在性能要求方面的不同点。

每秒处理的像素大小是衡量VR体验的重要指标。目前HTC Vive和Oculus Rift CV1的屏幕分辨率是2160×1200，因此在进行实际渲染时，我们需要更多采样来抵消由镜头畸变引起的分辨率损失。对于HTC Vive和Oculus Rift CV1，这一损失高达140％。VR处理的像素大小达到了惊人的4.57亿每秒。

性能测试与分析是VR游戏的重要组成部分。这些任务有助于实现所需的要求，并且确保充分利用所有的CPU和GPU处理能力。在测试之前，Oculus需要关闭异步空间扭曲（ASW），SteamVR则要关闭异步二次投影，这样VR运行时补偿干预将不会影响背后的性能分析。

如要禁用ASW，请在Oculus SDK中依次打开Program Files\Oculus\Support\oculus-diagnostics\OculusDebugTool.exe，然后运行OculusDebugTool.exe。

图1：异步空间扭曲配置

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

图2：SteamVR配置

1. 工具

软件工具在测试与分析VR游戏中扮演着重要角色。所涉及的主要工具包括Fraps，游戏加加，Unreal的控制台命令，Windows Assessment and Deployment Kit（ADK），SteamVR帧定时，以及英特尔的图形性能分析器。

1.1 Fraps FPS（帧每秒）计数器

Fraps FPS（帧/秒）计数器是一种传统的测试与帧时工具，开发者可以利用它来测试一段时间内的最大帧速率，最小帧速率和平均帧速率。最终结果可以轻松导入至Excel，并且生成相应的图表。如下图所示，我们可以看到帧速率在整个过程中的变化是否平滑。另外，Fraps可支持你方便地截取屏幕截图，然后用于各种报告目的。

图3：（顶部）随时间变化的帧速率；（底部）最大帧速率，最小帧速率和平均帧速率。

图3的底部说明了Fraps随时间推移而产生的最大帧速率，最小帧速率和平均帧速率。

如数据显示，这款VR游戏中的帧率在大部分时间都很低，仅为45FPS，不符合HTC的要求。对于这种性能表现，玩家会遭遇不适，甚至是晕动症（为了防止用户产生不适或晕动症，体验要求达到90 FPS的稳定帧速率）。这时，我们可以使用Windows ADK中的GPUVIEW来确定问题是来自于GPU，还是说CPU。

1.2 游戏加加

虽然Fraps是免费共享软件，但它已经有很长时间没有更新。游戏加加是一款类似的基准工具。在运行该实用程序时，工具窗口会自动显示在游戏窗口的顶部，其信息包括FPS，CPU温度，图形占用率，CPU，显卡和内存使用情况等等。Fraps的另一个缺点是它不能用于测试DirectX 12游戏，但你可以使用另一个工具PresentMon来采集FPS数据。

图4：游戏加加的实时数据显示界面

顶部的工具窗口提供对正在运行的游戏及其性能的实时监控。但Fraps和游戏加加都是为传统游戏设计，只能在显示器上显示数据。

1.3 Unreal引擎工具

佩戴VR头显的玩家无法看到显示器上的信息，如果想看到实时性能数据，我们有两种选择：

1.如果游戏基于Unreal引擎，请使用stat fps控制台命令。

2.使用SteamVR帧定时方法，这可以帮助你在头显和显示器上看到实时性能数据。SteamVR帧时间设置请访问Valve官网（点击前往）

图5显示了SteamVR帧定时数据。

图5：头显显示器中的丢失帧。

如图5所示，当游戏场景帧出现丢帧时，头显将显示一个“Missed Frames（丢帧）”框。红条密度越高，出现丢帧的频率越高。

图6：PC上运行的CPU和GPU。

图6显示了更详细的数据。在数据读出方面，蓝色表示GPU渲染时间，而茶色则代表了GPU空闲时间。

如图6所示，某些帧的GPU渲染时间超过了11.11毫秒，这将错过Vsync（垂直同步）的时间并导致丢帧。这些帧无法达到90 FPS。借助这个SteamVR帧定时工具，我们可以知道更多关于GPU Bound（限制）的信息，但它无法确定CPU渲染线程是否没有及时传递渲染命令，从而导致GPU冒泡（bubble）或者GPU渲染时间过长。

1.4 Unity Engine的控制台命令工具

如果游戏是通过UE4引擎开发，而且属于开发版本（非发行版本），我们就可以使用Unity的控制台命令工具来浏览游戏的实时性能数据。

你可以按下“键（键盘左上角）”来显示命令行窗口。以下是一些常用的控制台命令：

Stat FPS：显示每帧的FPS和帧时间。这个命令很容易在VR中使用，因为帧速率显示在VR头显上，测试人员可以方便地观察游戏的实时性能。

Stat Unit：显示游戏中每帧的总时间，游戏逻辑线程消耗的时间，游戏渲染线程时间消耗，以及GPU时间消耗。一般来说，如果一个帧的时间消耗接近于逻辑线程的时间消耗，瓶颈限制位于逻辑线程；但如果一个帧的时间消耗接近渲染线程时间，则瓶颈限制在于渲染线程。如果两个时间都接近GPU时间，瓶颈限制就与显卡有关。

图7：Stat Unit命令的截图。

Stat SceneRendering：显示游戏渲染线程中的各种参数值（参见图8）。

图8：Stat SceneRendering命令的截图。

Stat Game：游戏逻辑线程上运行的参数值实时视图，如人工智能和内存分配等等（参见图9）。

图9：Stat Game命令的截图。

Stat GPU：实时显示每帧中的GPU主渲染内容的时间参数（参见图10）。

图10：Stat GPU命令截图

Stat InitViews：显示剔除需要的时间和效率数据（参见图11）。

图11：Stat InitViews命令的截图。

Stat LightRendering：显示照明和着色所需的渲染时间（参见图12）。

图12：Stat LightRendering命令的截图。

其他命令（如Stat A和Stat）可以从Unreal官方网页中引用：

1. 1. https://docs.unrealengine.com/udk/Three/ConsoleCommands.html

2. 2. https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Engine/Performance/StatCommands/

1.5 GPUVIEW工具

我们可以使用Windows ADK中的GPUVIEW和Windows性能分析器（WPA）来执行进一步的分析。

在上述命令中，Stat Unit初步说明了帧是GPU Bound还是CPU Bound。有时结果不够准确，例如当CPU的一个线程造成一个GPU帧中间冒泡（bubble）。如果发生这种情况，在Stat Unit命令中看到的GPU渲染时间实际上属于实时渲染时间和冒泡时间的扩展。在这种情况下，我们需要GPUVIEW和WPA进行分析。

如图13所示，每个帧中间都有一个2毫秒的冒泡，因此GPU不能正常工作。最初的帧渲染时间小于11毫秒，但随着冒泡的渲染时间超过90 FPS所需的11.1毫秒，这导致下一帧丢失Vsync时间。结果则是出现了帧丢失。

图13：GPUVIEW界面：每帧中间出现了一个2毫秒的冒泡

这时，我们可以使用WPA打开相同的Merged.etl文件，并通过时间线找到冒泡的时间窗口，从而确定CPU的哪个线程更繁重，以及此时该线程正在运行的内容（参见图14） 。

图14：Windows性能分析器界面

如果GPUVIEW中GPU帧的渲染时间超过11.11毫秒，则可以确定为GPU Bound，然后我们可以使用英特尔GPA来分析管道中的哪部分出现了过载情况。

1.6 英特尔GPA

英特尔GPA是一款功能强大的免费图形性能分析工具（点击前往）。英特尔GPA包含以下独立工具：

1. 1. 系统分析器：实时显示游戏性能指标。
2. 2. 图形帧分析器：帧分析器。
3. 3. 平台分析器：查找CPU和GPU工作负载。
4. 4. 图形跟踪分析器：捕获其他分析器分析的详细事件跟踪。

英特尔GPA图形帧分析器可以与GPUVIEW结合使用。我们可以查看游戏中的绘制调用，渲染目标，纹理贴图和特定帧的着色器等等。通过简化着色器，你可以设计一个实验来测试渲染中的哪个部分会影响性能，从而帮助确定需要优化的关键部分（参见图15）。

图15：图形帧分析器的界面。

2. 案例分析

我们用一个例子来说明如何测试和分析VR游戏。

在测试之前，你可以使用dxdiag命令查看系统配置：

首先，我们先运行一段时间Fraps测试，并且绘制帧率变化。如图16所示，在测试的前半部分中有部分场景可以达到90 FPS，但在后半部分里，帧速率在45左右波动，不符合要求标准。所以我们需要进一步分析。

图17：FPS变化

利用Stat FPS命令查找较低帧速率的场景。如果你认为游戏变化太快而无法获取数据，则可以使用控制台命令PAUSE暂停游戏，然后再轻松地打开所需的工具。结合Stat Unit命令的参数，CPU渲染线程和GPU都可能出现瓶颈（参见图17）。

图18：stat unit命令的截图。

我们需要使用GPUVIEW和WPA进行同步分析。

图19：GPU渲染时间

我们从GPUVIEW中看到的第一件事情是，一帧的渲染时间为13.69毫秒，高于11.11毫秒，所以性能不太可能达到90FPS（参见图19）。

接下来，我们看到CPU上只有音频线程运行了大约10毫秒时间（见图20）。其他线程基本上为空间，这意味着音频线程没有充分利用CPU资源，这样我们就有机会将CPU用于特殊效果，例如更多的AI，物理，材质或粒子效果。

图20：CPU空间时间

WPA同样如此，其中游戏和渲染线程基本上为空闲。

图21：Windows性能分析器上显示的CPU运行线程

借助英特尔GPA，你可以看到绘制调用少于1000个，而这是一个合理的数字。

图22：所有的绘制调用

选择所有的Target进行实验，其中我们可以粗略看到帧花费的时间。

2×2 Textures实验在真实场景中使用了简单纹理。实验表明，简单纹理没有显著的性能改进，因此可以忽略纹理优化。

1×1 Scissor Rectangle实验则在渲染管道中移除了像素处理阶段。从这个实验中可以看到，性能表现已经有了显著的提升。

Simple Pixel Shader实验取代了简化像素着色器中的原始着色器，并且我们可以看到性能出现了大幅提升。

从上面的实验我们可以看到，GPU渲染管道中的像素处理任务相当繁重。另一个查看一帧中哪个操作占据最多时间的方法是，在UE4的命令行输入中使用ToggleDrawEvents。

图24：英特尔GPA分析器显示了每个绘制调用的执行函数

以下是几个关于耗时模块的表格。这些信息可以帮助你专注于高时间比率的模块，并且进行选择性的优化。

3. 总结

如果硬件尚未完全能够实现沉浸式VR体验所需的高性能，我们可以通过优化来体验高质量的游戏。在游戏优化期间寻找瓶颈需要利用本文所描述的各种工具和方法。通过各种实验和参数调整来确定游戏的CPU或GPU性能瓶颈，本文同时提供了一定的见解，可以帮助改善游戏体验。

原文链接： https://yivian.com/news/45548.html