运动元素：直观游戏设计中的3D传感器

简介

视频游戏系统包括平台，显示器，称为控制器的一个或多个I / O接口，以及软件。平台可以是计算机或专用控制台;可以与平台一起容纳的显示器通常是视听的;用于玩游戏的控制器，包括鼠标和键盘，面板按钮，滚轮，操纵杆，双手“游戏手柄”以及模拟游戏中涉及的物理动作的自由移动无线设备。 / p>

最近几个月，推出了包含使用双核处理器的高端计算机系统的新一代复杂游戏硬件。此外，目前竞争市场关注的三个新控制台系统比许多计算机具有更多的计算和图形处理能力。对于认真的游戏玩家来说，多GPU（图形处理单元）视频卡被认为是值得投资的。在处理，图形，声音甚至游戏本身的所有进步中，最重大的变化是引入直观的，基于动作的游戏控制。这种变化是由使用微机电系统（MEMS）构建的新一代超低功率运动传感器推动的，这是加速计技术首先用于汽车行业的安全气囊碰撞传感。基于MEMS的3D动作感应游戏控制器不仅影响游戏的播放方式，更重要的是，它们正在极大地影响游戏的设计方式。

本文回顾了游戏系统的当前功能，描述了游戏元素如何启用或防止直观的游戏设计，以及现有控制硬件如何限制游戏设计。还讨论了：下一代游戏系统中使用的3D运动传感器的操作原理，运动感应如何减少初学者和专业游戏玩家的学习曲线，以及游戏开发者需要熟悉的重要规范和开发原则。

限制直观游戏的设计元素

“当然，在玩游戏时，最接近玩家的是控制器。因此，控制器应被视为播放器的扩展，而不是控制台的一部分。我始终牢记这样一个事实的重要性：玩家将比控制台本身与控制器和UI [用户界面]有更多的联系。“

-Akio Ikeda，负责 Nintendo Wii ™中的加速度计硬件，在接受Silau Iwata，Wiilaunch网站，2006年夏季采访时。

每个游戏的情节都假定玩家拥有一些先前的知识，包括拾取卡片，掷骰子或按下按钮的效果 - 也许还有策略和策略。通常，这是在游戏包装上的“推荐年龄”中向购买者建议的。例如，游戏二十一点（或“21”）使得初始玩家拥有或可以轻松获得以下知识的假设：

如何添加

比较的概念，例如“小于”，“等于”和“大于”

熟悉卡片及其数值;特别是，ace卡上没有数字标签 - 并且在游戏中可以选择两个值。

一旦玩家开始将二十一点视为赌博游戏，学习风险和奖励，比较对于经销商的“手” - 无论是21还是其他一些价值，以及诸如倍增的策略，他们从初学者成长为专家。在二十一点中，不同的用户交互格式不会改变游戏本身，无论是使用物理卡片组还是鼠标在计算机上的位置。动作“击中我！”的效果始终相同，目标始终为21。

虚拟游戏环境可以从根本上改变玩家与游戏的互动方式，尤其是在速度和维度运动方面。参与其中。控制器和用户界面（UI）之间的交互的性质在历史上已经对用户体验施加了不自然的约束。例如，考虑传入基本的美式足球视频游戏，其中玩家选择使用键盘或游戏控制器向三个虚拟玩家中的一个投掷球（图1）。

< p>标准控制器和接口微弱地取代了直观的自然空间关系。图1显示了将球（（a）中的绿色区域）投掷到三个玩家中的一个的进度，与按钮 X ， Y 和 Z <相关联/ em>的。在（b）中，投掷者选择使用按钮 Z 传递给右侧的玩家。在图（c）中，投掷者的方块不再有球，而球员 Z （现在为绿色）已经接到投球。这当然与在真实场上玩游戏有很大的不同 - 当传给队友时，你不会考虑将手指移动到 Z 按钮上，你只需要将球传给正确的。所以，那些玩很多运动但没有在虚拟环境中玩过的人，必须学会将投掷与按下 Z 按钮联系起来（在这个版本的游戏中）。

因此，游戏玩家不必将自己的真实体验转移到虚拟世界，而是必须学习特定于平台的技能才能玩。这会阻碍新手玩家并将游戏的可销售受众限制为那些想花时间学习在现实世界中不一定有用的新技能的人。几乎所有符合规定的二十一点标准的人都可以在任何地方坐在二十一点桌上并且第一次玩，但很少有经验不足的电子游戏玩家可以像初学者一样拿起游戏控制器并立即与其他玩家一起玩电子足球 - 没有感到紧张或过度紧张。不同之处在于，二十一点在任何媒介中所需的物理技能都是简单，直观，易于学习和有趣的。

直观游戏设计：运动的历史运用

“运动传感器提供了一种直观，易于理解的操作机器的方式，这与我们的便携式游戏机配合得非常好。我们相信各种年龄段的人都会喜欢玩'Yosshie-no Banyu-Inryoku'。“

-Satoru Okada，总经理，研究与发展任天堂工程部引用ADI公司新闻稿，2004年推出 i MEMS ADXL202 1 Yosshie-no Banyu-Inryoku 应用程序。

今天游戏中最大的新闻是将动作感应融入主流游戏机和游戏设计中。 Nintendo Wii ™和 Sony PlayStation 3 ™游戏均采用MEMS运动传感器。然而，更大的影响是运动感应现在正在推动实际游戏设计以及以现有游戏格式报告一组动作。任天堂正在使用ADI公司的ADXL330 2 三轴 i MEMS传感器，为革命性的“Wii™-Mote”控制器提供3D运动感应功能。

然而，这不是第一次将MEMS运动传感器用于控制器设计。微软和罗技于1998年凭借 SideWinder ® Freestyle Pro 和 WingMan Gamepad Extreme 游戏控制器开创了这一理念。采用ADI公司的ADXL202双轴 i MEMS传感器。 Freestyle Pro于1998年在电子娱乐博览会上荣获“最具潜力的新周边”奖。

在游戏开发的这个阶段，很少有设计师将动作感应作为游戏设计的内在元素。如果用户想要通过倾斜而不是按下按钮来控制游戏，则双轴倾斜感应简单地替换D-pad（方向板）。倾斜可以做一些突破性的事情来增加游戏体验：当你向后倾斜控制器时，你可以在骑马游戏中骑摩托车骑自行车。在飞行模拟器中，向左和向右倾斜控制器可能会导致星球大战X翼战斗机向左或向右俯冲运动。在驾驶和飞行游戏中，严重依赖D-pad进行控制的体验从这种类型的倾斜运动控制中获益最多。但这个概念并非游戏设计中不可或缺的一部分，并没有找到主要的消费者牵引力。支持运动的控制器的成本增加以及缺乏真正的基于运动的体验限制了微软和罗技产品的吸引力。

任天堂是第一个采用运动传感来协调硬件和游戏概念，在他们的 Yosshie-no Banyu-Inryoku 和 Koro-Koro Kirby（Kirby Tilt'n'Tropble） GAMEBOY游戏中。这些创新游戏证明了直观的基于动作的游戏市场存在。两者都在游戏卡盒本身中加入了ADXL202加速度计，使用倾斜来以很多年龄和技能水平可以理解的方式移动角色。 Koro-Koro Kirby 在倾斜的桌子上使用大理石的原理，这是许多儿童和成人在现实生活中玩过的玩具。当将这种游戏体验转移到虚拟世界时，任天堂不需要学习新技能，因为玩家控制着物理倾斜的大理石Kirby。 MEMS加速度计使用的功率非常小，可以用作便携式应用中整个游戏过程的主要控制，而不会过度消耗电池。使用IC加速度计增加运动的成本也达到了不会影响消费者价格的程度。这些标题吸引了广泛的观众，直观，易学，有趣。全世界销售了数十万份。

直观游戏设计：开发基于运动的应用程序

“由于我以前使用过加速度传感器的产品，我对我可以期待的特性和限制有一个大概的了解。这项技术。根据这一经验，我已经知道我们需要在电视附近有一个绝对的参考点，以提高控制的可靠性“。

-Akio Ikeda，在接受Satoru Iwata，Wii采访时启动网站，2006。

设计任何游戏的第一步是生成核心情节和用户概念。这包括UI设计者将创建的虚拟世界，每个玩家的目标以及玩家与用户界面的交互。直观设计的最基本要素是捕捉某人已经在现实世界中所做的活动并将其带入虚拟世界，在那里可以存在创造力，不同挑战和幻想 - 但玩家不需要学习任何新技能玩。将物理活动转换为控制开始于运动传感器。在游戏设计中使用传感器数据有几种主要的方法，但它们都是从运动传感器如何工作的基础开始 - 特别是加速度计。 [参见操作原理。]

最重要的是要记住加速度计测量加速度。任何包含运动（包括振动和冲击）的东西都可以通过加速度计进行测量，因此每个应用都有不同的加速度计要求和限制。

运动游戏应用类别

简单的倾斜阈值

Kirby Tilt'n'Tropble 是使用的一个主要示例倾斜阈值。使用倾斜相当于使用地球重力场作为沿垂直（Z）轴的1- g 参考加速度（取决于位置，g约为9.8 m / s 2 ，或32英尺/秒 2 ）。当设备处于完全水平状态时，X和Y轴将分别经历0 g （图2）。

当玩家倾斜控制器时，游戏设计师想要知道倾斜量是否超过特定阈值。用于测量倾斜的方法是固有的三角关系。加速度计的X和Y输出作为倾斜角度的函数，θ x 和θ y （X和Y轴与水平面成角度），与 g sinθ x 和 g sinθ y 成比例。

在游戏中比如 Tilt'n'Tropble ，玩家试图模仿真实重力的影响，没有必要知道实际角度（通过反三角函数计算）;设备的输出物理模拟影响虚拟大理石运动的力。

对于这个仅取决于与水平方向的X轴和Y轴角度的游戏，不需要三轴加速度计。实际上，在X轴和Y轴水平且Z轴垂直的情况下，器件的Z输出与角度偏差的余弦成比例，θ z ，与垂直 - 在没有进一步处理的情况下，这个应用程序不是很有用。

历史上，Kirby使用了XY加速度计。微软的 Sidewinder Freestyle Pro 使用XY传感器测量倾斜度，以控制D-Pad上左右上下动作的速度。如果应用仅需要倾斜，则2轴加速度计是低成本替代方案。

手势识别：用户生成的加速

感兴趣的更多比重力测量？像2006年E3媒体和商业峰会所展示的 Wii Sports Tennis 等游戏使用的玩家生成的动作远远超过了重力加速度。对于此类应用，ADXL330的每个轴的最小测量范围为±3 g。不幸的是，涉及高速运动的游戏概念，例如高尔夫挥杆，可能超过许多低g加速度计的测量范围。为了获得活动的加速感，如果手臂被认为围绕身体摆动一圈，则角加速度为：

A = v 2 < / SUP> / - [R

包含x，y和z方向的分量。如果最大加速度暂时超出设备的测量范围，设计选择包括使用具有更高最大范围但牺牲分辨率或模拟过载条件的加速度计 - 这需要测量过载何时开始以及何时结束。这需要在整个范围内具有非常线性的性能，直至达到饱和。

用户生成的运动难以建模，因为人类运动员具有解剖学差异并且以相同的意图以不同的方式直观地移动。游戏开发人员需要进行大量的测试和调整才能成功地模拟这种交互。在可测试模型中记录大量运动并生成运动匹配算法和阈值已被证明是最有效的方法。

位置测量：加速度的整合

一个具有挑战性的问题面向设计师的是加速度计是否可以成功地用于测量位置变化，因为位置是加速度相对于时间的双重积分。显而易见的方法是在适当的时间段内加倍整合加速度。沿X轴，

对于恒定加速度， a ，

因此，任何时候的X位置都取决于初始位置，即初始速度随时间增加的位置，和时间的平方。

在相对较短的时间内整合是合理的。长期以来，风险在 t 2 术语中。错误随着时间的推移而增加; 1000秒后的错误比1秒大1,000,000倍。加速度测量中的任何小偏移误差，特别是对于消费级设备，将很快产生难以忍受的误差水平，并最终（小时，甚至几分钟）将计算位置驱动到其极限。即使没有错误的无噪声加速度计也会在很长一段时间内集成其他问题。例如，持有控制器的人可能会撞击一个物体或将其掉落到地面，导致成千上万的 gees 震动，从而将加速度计输出驱动到极限。

任天堂通过结合加速度计使用位置参考来解决Wii中的这个问题。通过将位置与参考相关联，任天堂可以通过周期性重置来限制集成的长度，从而适当地减少误差增长。

设计直观的基于动作的游戏：选择传感器

“当人们抱怨旧控制器的用户友好程度如何时，我表示同情;我记得在我第一次玩Marathon时尝试掌握鼠标和键盘界面，然后是Halo的双操纵杆设置，这是一个严峻的挑战......相比之下，Wii控制器非常简单。任天堂真的已经取消了非专业人士的主要障碍。根本没有学习曲线。“

-Lev Grossman，回应读者对他的文章”所有年龄的游戏“的反馈，时代杂志，2006年5月15日。

本文的第一部分描述了在游戏控制中测量和使用加速度数据的一些方法。然而，现实世界的加速度计的问题在于它们不能完美地运行，它们占据空间，它们需要电力，它们易受温度变化的影响，并且它们可能受到滥用。最后一节提供了对游戏所需的性能特征，传感器供应商的期望，以及如何测试这些参数的一些见解。

线性

牛顿世界是线性的和运动的是线性的，因此加速度计应该是线性的。在整个范围内的线性行为是必不可少的，因为人类期望直观游戏的可预测响应。如果您的手臂移动速度提高两倍，则屏幕操作应该快两倍。如果实际速度更快或更慢，您必须学习非线性运动作为一项特殊技能，使游戏不直观。倾向于在没有相应用户动作的情况下意外地从一个角度跳到另一个角度的游戏可能会让人感到不安。

在±1- g 范围内测试线性度相对简单。使用旋转插座，每个轴都可以根据重力，与重力相反，以及在中间位置进行测试，记录每个测量点的角度和输出加速度。超过1 g ，振动器和速率表变得必要。加速度计供应商可提供线性统计数据以验证数据表值。更复杂但可能更快的方法是使用交流运动测试和总谐波失真测量来直接与线性关联。

功耗

消费类MEMS运动传感器必须用于低压无线设备。降低加速度计的功耗可以节省功耗预算，实现更强大的通信，设计其他部分的更便宜的组件以及更长的电池寿命。低功耗器件，如ADXL330，通常可以从2 V电源吸收200 mA电流 - 即使没有电源循环 - 有助于开发无线控制器，除了具有较长的播放时间外，还可以自由移动游戏玩家希望使用动作的直观方式。具有快速开启时间的加速度计允许循环供电，从而节省更多功率。游戏设计师可以打开和关闭它们，以人类玩家预期移动的速度进行采样。建议采用100 Hz采样率作为平滑运动游戏的底线，实现50 Hz的带宽。

温度性能

考虑到运动敏感设备，温度性能至关重要通常被握在一个人的手中，因此在比赛期间变得更加温暖。出色的温度特性也很重要，因为无论是室外还是室内，性能必须能够在任何游戏环境中预测。控制台甚至可用于配备视听系统的汽车的低温下。

温度性能对游戏的最关键影响是 zero-g 偏差随温度变化的线性度，以及灵敏度的温度系数。零g输出电压基本上是器件的直流偏移。许多加速度计供应商在零g偏差上发布“盒子规格”，声明输出可以通过的任意误差范围。一些加速度计使用温度传感器来提供数字温度补偿。虽然这些技术可以将偏移保持在一定范围内，但是当输出扫过温度时常常发生阶梯不连续 - 有时高达25毫克，对应于倾斜应用中超过1度的误差。测试此性能非常简单，只需将加速度计扫描一系列温度并监控输出即可。强烈建议进行此测试;一些传感器可以产生令人惊讶的结果。

稳健性和自检

因为冲击，振动和掉落的控制器会导致成千上万的 gees 输入加速度计，坚固的机械传感器设计是必要的。 ADXL330具有与恶劣汽车环境相同的机械特性，可用于车辆稳定性控制等功能。如果出现问题，一个好的MEMS传感器应具有完整的机械和电气自检功能，以便在玩家拿起控制器之前帮助诊断问题。

前进

历史上，标准游戏控制器限制直观游戏，要求玩家学习特定的控制技能。随着游戏的进展，开发人员开始将现实世界的体验转化为虚拟世界游戏。现在，直观游戏中的最新方法使用动作来实现新一代设计，使游戏更直观，更有趣。本文为在游戏控制器中使用加速度计提供了基础，包括操作机制，测量技术和直接影响游戏性能，价格，可靠性，验证和测试的特定参数。

加速度计 - 操作原理

最新游戏中常用的运动传感器是3轴加速度计 - 三维运动传感器，其电输出对应于 x 中的加速度分量， y < / em>和 z 指示。图A显示了完整的3轴加速度测量系统的电气框图，±3 g ADXL330，一个微型（4毫米见方，1.45毫米高）集成电路。它的工作电压范围为1.8 V至3.6 V，电流仅为180 mA。它可以感知动态（运动，冲击和振动）和静态（重力）加速度。

传感器是一种建立在硅晶片顶部的多晶硅表面微加工结构。多晶硅弹簧将结构悬挂在晶片表面上并趋于抵抗加速力。结构的偏转是使用差分电容器测量的，该差分电容器由连接到移动质量块的板组成 - 在成对的独立固定板之间移动，电压由异相方波驱动。加速度使移动质量偏转并使差分电容器失衡，从而产生方波输出，其幅度与加速度成比例。相敏解调技术用于读取加速度的幅度和极性。

每个解调输出通过32kV电阻放大并通过芯片外部提供。用户选择的外部电容器提供滤波和设置带宽。该设备还具有自检功能，可检测故障。图B是加速度计芯片的照片。