【炒冷饭】对于电竞游戏输入延迟的测量分析与优化

对于电竞游戏输入延迟的测量分析与优化

内容提要：

本文旨在指出windows平台上使用DX8 DX9渲染接口的游戏的延迟的测试方法，大小特点和优化方案。采用“慢动作键盘宏”法可将测量精度提升到4ms左右,并且通过对比实验与公式计算，进一步推导出DX8 DX9电竞游戏输入延迟随环境变量的变化特点。极大降低键盘延迟测试工具的成本，并提高精度和兼容性，发掘真正优秀的键盘。本文旨在一改电竞游戏的“玄学优化”与“玄学手感”的研究方式，将对游戏体验有影响的因素用数据的方式表现出来。

关键词：电子竞技 输入延迟 游戏优化 键盘 键盘延迟

笔者是一名Ballance（一种延时竞技游戏）竞速玩家，在使用不同的电脑和键盘时，水平的差距是极大的。一个“垂直同步”的开关，几乎决定了我是高手还是菜鸡。带着这样的疑惑，我开始研究不同的电脑为什么会让我有着天壤之别的水平。此时正值NVIDIA Reflex技术发布，它第一次以硬件形式而非感觉形式，测量了从usb到显示器的输入延迟，并精确到了1ms级别。然而，一台搭载NVIDIA Reflex技术的显示器高达数千元，笔者家境贫寒买不起，于是就依据其原理，设计了一套测量输入延迟的方案。

Reflex的原理是，比较从usb信号输入显示器，到显示器液晶分子变化的时间差，它囊括了除了外设以外所有部分的延迟（引用来源1）。根据这个原理，我们可以将游戏操作键与大写键绑在一起，比较大写灯和屏幕变化的时间差，也可以得出来相近的延迟数据。

准备材料：带键盘宏功能的键盘、有原生240fps慢动作摄影的手机、把视频从手机发到电脑的软件、可以逐帧的电脑视频播放器

操作方法：

1.编写一个键盘宏，同时摁下caps键和某个键，存在caps键上

2.找到一个瞬间发生的切换效果，一边连续摁caps键，一边用手机拍摄屏幕和键盘灯，以稍大的间隔连点20次caps键。

3.把视频发到电脑上逐帧看，从键盘灯亮的一帧开始（本帧不算）播放，直到屏幕开始出现变化的那一帧，经过了n帧

4.20次结果取平均，单位比较特殊，叫“延迟单位”，由于视频是240fps，所以其中一帧就是240分之1秒。N单位延迟=（N*4.17）ms

数据统计：至少包括系统版本，全屏状态，dwm状态，垂直同步状态，帧数，显示器刷新率等要素。

 

通过控制变量法可以得出以下结论：

对比1和2 ：与是否使用mod无关

对比2和3 ：win7上与全屏与否无关

对比6和7和8 ：与用哪款软件锁帧无关（其实bandicam延迟会高出一帧，可忽略）

对比4和5和6 ：FPS应该在240以上

对比4和9：绝对不能开启垂直同步

对比2和10 ：win10的延迟远高于win7

对比10和11和12 ：延迟与兼容性选项无关

对比2和13：将DX8转为DX9后，延迟将会降低为win7水平

查阅Microsoft官网文献可知，win7可以选择手动打开和关闭dwm（桌面窗口合成器），仅影响窗口化游戏，全屏无dwm。win10更为复杂，win10存在独占全屏（无dwm），假全屏（有dwm），窗口化（有dwm）三种情况。查阅Microsoft官网文献可知，“禁用全屏优化”将会使游戏强制处于独占全屏（引用来源2），但是，在ballance上，这个选项并未生效。并且，按道理说兼容模式会提高延迟，而实际情况并非如此。笔者推测是因为由于ballance年代较早，win10会强制为其开启兼容模式，并强制取消独占全屏。年代较早的游戏普遍采用Opengl1.1、DX7、DX8等渲染管线，而这些很可能是win10进行判断“老游戏”的依据。

扩大实验，选取其他DX8游戏进行延迟测量，如“东方永夜抄”“CS1.6”，“CS起源”，“东方花映冢”，“红色警戒2尤里的复仇”，并采用dxwnd中的wrapper工具相互转化，得出以下结论。凡是DX8 DX7游戏，都会被强制开启兼容模式，并强制取消独占全屏。Opengl1.1游戏，在NVIDIA平台非独占全屏，在intel平台独占全屏。DX9、D9ex、DX10、DX11均可独占全屏，dxvk1.0非独占全屏且延迟高，dxvk2.0独占全屏低延迟。

独占全屏是否等于低延迟？窗口化是否等于高延迟？其实不一定，要具体分析。我们必须要搞明白，何为独占全屏？dwm又是怎么增加延迟的？查阅外网文献得知，一般来说，独占全屏能够覆盖音量悬浮窗和输入法，假全屏不能，但这种方法仅适用于DX而不适用于Opengl（引用来源3）。对于情况复杂多变的Opengl、vulkan等非微软硬件接口，我们就不应当纠结于独占全屏，一切用延迟数据说话。Dwm本质上是一层筛选与组合的“膜”，一般来说，游戏画面先从Rasterizer交到GPU，显卡画好了以后发给DX surface，再发到显卡缓冲区，然后显示到屏幕上。但是dwm会从DX surface拷贝到DWM自己的缓冲区，然后等各个窗口画面都提交之后，再统一发送到显卡缓冲区，画到屏幕上，所以得名“桌面窗口合成器”。Dwm为了确保显示出的内容丝滑流畅，缓冲区会留2-4个“显示器完整画面”。游戏画的速度再快，完整的画面也无法抢占缓冲区内存好的2-4个画面，从而导致整体滞后，这就是它导致高延迟的原因。

游戏内的垂直同步就是在缓冲区中强制存上2-4个“显示器完整画面”，而dwm是在游戏外再开辟一块缓冲区存上2-4个“显示器完整画面”，所以两者造成的额外延迟是直接相加，互不干扰。同理，在一个60hz显示器上，无论游戏FPS有多高，即使一秒输出了1000个画面，能够画上的只有第32张，第64张，第96张……缓冲区的帧永远是过时的，而新的却还得等16.6ms才能进入，大部分帧被直接丢弃。

对抗dwm的方法只有三个：第一个是绕过dwm，直接输出到屏幕，也就是所谓“独占全屏”。第二个是干死dwm，win7可以直接关，win8.1和win10早期版本可以通过stopdwm软件来关，win10晚期版本和win11不可关。第三个是改良dwm，d9ex、dx11、dx12都可以通过Flip model来改良dwm的帧缓冲区。比方说，在60hz屏幕，游戏1000fps，缓冲区三帧的情况下，当第一帧被画到屏幕上时，此时游戏已经提交了更新的完整帧，此时通过算法筛选，丢弃掉本来的“第二帧”和“第三帧”，而是把这个最新的帧画上。也就是说，只要fps高于显示器刷新率，这样做就一定能让缓冲区的滞后帧废弃，让更新的帧进来，fps越高，最新帧抢占缓冲区内滞后帧的概率越大。这样，既保证了高fps意味低延迟，又可以在fps剧烈波动时依靠缓冲区内滞后的几帧使画面丝滑连贯。（引用来源4）目前来说，绝大部分电竞游戏没有对此作出优化，有一部分游戏使用硬件手段降低延迟（如配合Gsync Freesync等）但效果并不好，仅仅能提升观感。

但这都是理想情况，实际情况还要再复杂一些，比方说，很多游戏存在物理帧与渲染帧的错误耦合，导致当前渲染帧提交后才开始算下一个物理帧。我们通常采用低fps法来探究此类问题，当fps仅有20时，系统本身和硬件的延迟在巨大的帧间隔时间面前不值一提，也就是说，你在当前帧的操作，一定会在下一帧马上反映出来。如果下一帧仍然没有反应，只能说你在按下的时候，物理引擎并没有立即开始处理，当你看到没反应的那个“下一帧”的时候，此时才开始处理你的操作，然后会在“下下帧”看到反映。我将其命名为“跳过帧”，跳过帧在低fps会极大拉高输入延迟，而在高fps下不值一提（毕竟帧间隔很短了）。

此外，当一个游戏出现cpu满载或gpu满载的情况下，输入延迟会有不同程度的提升，当cpu和gpu交替满载时最为致命，而NVIDIA Reflex技术对于高负载下的延迟有良好的解决方案，这里既不考虑也不赘述（引用来源1）。

所以，延迟通用定理为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*跳过帧（ms），这个公式是比较基础和理想化的的，对于opengl、vulkan、flip model、高负载游戏会有不同程度出入。另外，Freesync和Gsync在fps远高于显示器刷新率时，对延迟几乎无影响。

想获得全屏低延迟，只有DX9独占全屏；想获得窗口低延迟，只有DX11并使用independent flip模式（引用来源6）。在win11中，无边框全屏dx11游戏也是低延迟。Dgvoodoo2和specialk是非常强大的工具。Dgvoodoo2可以将任何游戏的渲染方式变为dx11，但并不会带有flip model，而specialk能为任何dx11游戏打开flip model，并提供实时的延迟显示和帧率控制。该延迟显示的实质是从请求渲染到显卡提交画面的时间差，并不包含两帧的间隔时间（frametime），也不包含物理运算，屏幕刷新间隔等，理想情况可低于1ms。Specialk可能在多人网游中存在安全风险，如封号与笔者无关。

Win10和win11的窗口化低延迟有着极为苛刻的条件，下面列出几个必要不充分条件：窗口不得部分超出屏幕（仅win10），窗口不得覆盖任务栏（仅win10），不得开启10bit色深，不得开启HDR，不得开启freesync，不得在前后堆叠窗口或悬浮窗，不得使用屏幕录制录屏，显卡驱动不得早于2021年，若系统存在缩放需要禁用高dpi下的缩放。我们可以使用presentmon这款软件，测量所有窗口化程序的画面延迟，也可以使用specialk，测量全屏或窗口状态下的dx11游戏画面延迟，确保不要坑了自己。

对于延迟的探究不能只停留在机箱里，机箱外面同样有三个物件值得注意，它们就是鼠标键盘显示器。

键盘内的延迟包含首字符延迟、尾字符延迟、次字符延迟、硬件灯效延迟等（引用来源5）叫首字符延迟，可以理解为两键盘同时导通，看谁先把信息传到电脑里，即从触点触发到信号导通。终止延迟的术语叫尾字符延迟，可以理解为两键盘同时取消导通，看谁先把停止的信号传到电脑里，即从触点断开到信号终止。次字符延迟，是键盘对于特定游戏的针对性延迟补偿，比方说，当一个游戏短时间（0.5s）内的连续输入，延迟依次加3ms，那么键盘可以通过调整次字符为3ms，第一下敲击故意晚一些发码，然后几下敲击依次比前一次少等3ms，这样虽然提高了整体的延迟，但是像拼图一样抵消了游戏的延迟特性，让操作更加符合直觉。硬件灯效延迟即为在主控中因为处理灯光效果而造成的处理滞后，如果延迟设定过为激进则会非常不稳定。

键盘的回报率数值也对延迟有较大影响，125hz相当于每8ms上传一次信号，平均延迟4ms，1000hz则是每1ms上传一次信号，平均延迟0.5ms，但是2000hz、4000hz、8000hz等超高回报率，对延迟的影响则不大。对于一些不采用xinput的游戏，过高的回报率反而会造成一些负面影响。

KeyResponsePK是比较键盘首字符延迟的常用软件，它是由血手幽灵公司开发的开源键盘测试软件（现源代码与程序本体均从官网下架）。用一根筷子连接两个键盘的不同按键进行压下，软件会自动计算出两个信号到达的时间差，从而反映出两键盘的首字符延迟差距（相对值）。压下的时候必须要迅速，否则会让短触发键程的键盘有优势。

Keyboardtest是测试键盘尾字符延迟的常用软件。举个例子，一个16ms尾字符的键盘，输入电脑总的信号长度，一定大于16ms，即使你瞬间接通和断开，实际效果就是先等待首字符延迟，然后向电脑发信号，再等待16ms，停止信号。根据此原理，我们可以用手指反复刮键帽，刷“按下时间”的最小值，此数值即为键盘尾字符延迟。该方法并不完全准确，近年来不少键盘设定了“最短输入时间”。比如说“最短输入时间”为30ms，如果你只按了18ms就松手，键盘会帮你补到30ms；如果按了31ms，当你抬手后瞬间就会断开。那么这个键盘应该属于尾字符0ms，而不是软件所显示的30ms。

由于上述两种方法均存在不小的误差，甚至测尾字符会出现错误。我们需要更强大的硬件与软件进行测试。主流方法有两个，第一个是高速摄影机拍示波器法，但这个方法过于昂贵且麻烦，只适用于工厂测试，且与实际体验存在不小偏差。第二个是ultralink回传法，电脑控制ultralink再控制继电器模拟机械轴触发，再通过键盘内部电路传回电脑，该方法只能用于测试机械轴而不能测试光轴，成本在500元左右，同样不适用于普通玩家。

网名叫“ae”的一名外设爱好者，设计了并联光耦测试电路。其原理是利用一个开关，绝对同时（误差远小于0.1ms故忽略不计）短接导通和断开两个外设的不同开关，相当于一根超级准的“筷子”。并且，由于是采用短接导通，不会因键程而产生误差。并联光耦成本仅为一毛钱，几根跳线的成本更是直接忽略，操作十分简便，具有可推广性。

网名为“Swung0x48”的一名程序员开发了一款新的键盘测试软件KeyboardLatencyTester，这款软件使用imgui界面与每帧的触发检测，精度与fps成正比，一般可达0.25ms左右。结果输出为两个按键的“下压抬起图”与每个按键的“下压抬起时间戳”，再借助Excel则可以直接计算出按下时间差与抬起时间差，同时得出首字符与尾字符数值。

“并联光耦KeyboardLatencyTester法”不仅可以测试出首字符延迟与尾字符延迟，还可以测出外设本身的延迟稳定程度与接口对于延迟稳定性的影响。结果表明，机箱后置usb口无延迟波动，显示器、前置usb口、正常布线或混乱布线的hub，均存在1ms的延迟波动。其局限性在于，它不可以直接测试“断开触发型”光学开关，需要加上一个非门电路，并且数值为相对值，必须用一个延迟已知且稳定的外设当基准。

以xm1r鼠标作为0ms首字符基准，以b820r作为0ms尾字符基准，对其他键盘鼠标进行测试。结果显示，绝大部分热插拔机械键盘“首20尾20”，绝大部分普通机械键盘“首16尾16“，棱镜轴键盘“首16尾16”，游侠rx光红“首4尾11”，雷蛇天平光轴“首6尾1”，雷蛇模拟光轴“首4尾1”，海盗船K70pro“首0尾0最短输入时间30ms”，宁芝plum84v2“首0尾2”或“首0尾0最短输入时间18ms”，并联光耦电路和鼠标测试结果参看下表。

然后是显示器，显示器的响应时间很重要。液晶分子的偏转带来颜色的变化，但这个过程是需要时间的。显示器的刷新率决定了画面传进来等待的时间，而响应速度是指从开始变色到变色完成的用时。一般来说，手机的960fps慢动作摄影加上ufotest的网页就可以胜任一般的测试。通过计数飞碟后残影和个数与持续时间，一般的TN材质屏2ms，一般ips屏10ms，fast-ips屏6ms，va屏20+ms，va屏的响应速度太慢导致你观察到变色的时候，画面已经滞后10ms左右了，所以va屏不适于电竞游戏不仅是因为严重的拖影，还因为延迟太大。如果优化得当，系统和键盘延迟总共不超过10ms，而主要矛盾，就变成了显示器。在响应速度跟不上的时候仅提升刷新率，是没有任何意义的。

选择低延迟的键盘鼠标显示器，有助于游戏水平的快速提升。很多电竞游戏的延迟非常之高，而不少玩家对其无感或漠不关心；现在的市场鱼龙混杂，虚假宣传层不出穷，掌握科学的测试手段，不被广告牵着走，是高玩的必修课。现在，硬件方面，低延迟外设处在发展低谷，低延迟测试工具和结论没有统一的标准，很多伪低延迟产品大行其道，真低延迟产品存在各种体验问题；软件方面，微软对老电竞游戏持淘汰目的，legacy flip和independent flip的条件有待挖掘。看向未来，我们要推动flip model的发展与应用，深究独占全屏的原理与获取方式，发展各类wrapper，宣传低延迟相关理论与科学方法，提升光学开关的使用体验，与国内OEM厂家积极沟通与合作，提高光学开关产品的国际竞争力，研究外设特点与游戏需求间的客观联系，深入研究rapid trigger技术。

参考文献：

[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

 

 

 

 

 

致谢

变形的木球（协助测试、方法指导）

Swung0x48（文献翻译、键盘测延迟工具开发者）

ae（并联光耦，极大量外设测试数据）

加菲电竞外设（电竞导师、宁芝合伙人）

东方圈（前人研究成果）

血手幽灵（光轴键盘领军者）

瑞翼鲨（光学开关领军者）

方方土（很大概其的论文写作指导）

马特（协助测试）

欣小欣（好耶）

其他划水小组成员