簡介

視頻游戲系統包括平臺，顯示器，稱為控制器的一個或多個I / O接口，以及軟件。平臺可以是計算機或專用控制臺;可以與平臺一起容納的顯示器通常是視聽的;用于玩游戲的控制器，包括鼠標和鍵盤，面板按鈕，滾輪，操縱桿，雙手“游戲手柄”以及模擬游戲中涉及的物理動作的自由移動無線設備。 / p>

最近幾個月，推出了包含使用雙核處理器的高端計算機系統的新一代復雜游戲硬件。此外，目前競爭市場關注的三個新控制臺系統比許多計算機具有更多的計算和圖形處理能力。對于認真的游戲玩家來說，多GPU（圖形處理單元）視頻卡被認為是值得投資的。在處理，圖形，聲音甚至游戲本身的所有進步中，最重大的變化是引入直觀的，基于動作的游戲控制。這種變化是由使用微機電系統（MEMS）構建的新一代超低功率運動傳感器推動的，這是加速計技術首先用于汽車行業的安全氣囊碰撞傳感。基于MEMS的3D動作感應游戲控制器不僅影響游戲的播放方式，更重要的是，它們正在極大地影響游戲的設計方式。

本文回顧了游戲系統的當前功能，描述了游戲元素如何啟用或防止直觀的游戲設計，以及現有控制硬件如何限制游戲設計。還討論了：下一代游戲系統中使用的3D運動傳感器的操作原理，運動感應如何減少初學者和專業游戲玩家的學習曲線，以及游戲開發者需要熟悉的重要規范和開發原則。

限制直觀游戲的設計元素

“當然，在玩游戲時，最接近玩家的是控制器。因此，控制器應被視為播放器的擴展，而不是控制臺的一部分。我始終牢記這樣一個事實的重要性：玩家將比控制臺本身與控制器和UI [用戶界面]有更多的聯系。“

-Akio Ikeda，負責 Nintendo Wii ?中的加速度計硬件，在接受Silau Iwata，Wiilaunch網站，2006年夏季采訪時。

每個游戲的情節都假定玩家擁有一些先前的知識，包括拾取卡片，擲骰子或按下按鈕的效果 - 也許還有策略和策略。通常，這是在游戲包裝上的“推薦年齡”中向購買者建議的。例如，游戲二十一點（或“21”）使得初始玩家擁有或可以輕松獲得以下知識的假設：

如何添加

比較的概念，例如“小于”，“等于”和“大于”

熟悉卡片及其數值;特別是，ace卡上沒有數字標簽 - 并且在游戲中可以選擇兩個值。

一旦玩家開始將二十一點視為賭博游戲，學習風險和獎勵，比較對于經銷商的“手” - 無論是21還是其他一些價值，以及諸如倍增的策略，他們從初學者成長為專家。在二十一點中，不同的用戶交互格式不會改變游戲本身，無論是使用物理卡片組還是鼠標在計算機上的位置。動作“擊中我！”的效果始終相同，目標始終為21。

虛擬游戲環境可以從根本上改變玩家與游戲的互動方式，尤其是在速度和維度運動方面。參與其中。控制器和用戶界面（UI）之間的交互的性質在歷史上已經對用戶體驗施加了不自然的約束。例如，考慮傳入基本的美式足球視頻游戲，其中玩家選擇使用鍵盤或游戲控制器向三個虛擬玩家中的一個投擲球（圖1）。

< p>標準控制器和接口微弱地取代了直觀的自然空間關系。圖1顯示了將球（（a）中的綠色區域）投擲到三個玩家中的一個的進度，與按鈕 X ， Y 和 Z <相關聯/ em>的。在（b）中，投擲者選擇使用按鈕 Z 傳遞給右側的玩家。在圖（c）中，投擲者的方塊不再有球，而球員 Z （現在為綠色）已經接到投球。這當然與在真實場上玩游戲有很大的不同 - 當傳給隊友時，你不會考慮將手指移動到 Z 按鈕上，你只需要將球傳給正確的。所以，那些玩很多運動但沒有在虛擬環境中玩過的人，必須學會將投擲與按下 Z 按鈕聯系起來（在這個版本的游戲中）。

因此，游戲玩家不必將自己的真實體驗轉移到虛擬世界，而是必須學習特定于平臺的技能才能玩。這會阻礙新手玩家并將游戲的可銷售受眾限制為那些想花時間學習在現實世界中不一定有用的新技能的人。幾乎所有符合規定的二十一點標準的人都可以在任何地方坐在二十一點桌上并且第一次玩，但很少有經驗不足的電子游戲玩家可以像初學者一樣拿起游戲控制器并立即與其他玩家一起玩電子足球 - 沒有感到緊張或過度緊張。不同之處在于，二十一點在任何媒介中所需的物理技能都是簡單，直觀，易于學習和有趣的。

直觀游戲設計：運動的歷史運用

“運動傳感器提供了一種直觀，易于理解的操作機器的方式，這與我們的便攜式游戲機配合得非常好。我們相信各種年齡段的人都會喜歡玩'Yosshie-no Banyu-Inryoku'。“

-Satoru Okada，總經理，研究與發展任天堂工程部引用ADI公司新聞稿，2004年推出 i MEMS ADXL202 1 Yosshie-no Banyu-Inryoku 應用程序。

今天游戲中最大的新聞是將動作感應融入主流游戲機和游戲設計中。 Nintendo Wii ?和 Sony PlayStation 3 ?游戲均采用MEMS運動傳感器。然而，更大的影響是運動感應現在正在推動實際游戲設計以及以現有游戲格式報告一組動作。任天堂正在使用ADI公司的ADXL330 2 三軸 i MEMS傳感器，為革命性的“Wii?-Mote”控制器提供3D運動感應功能。

然而，這不是第一次將MEMS運動傳感器用于控制器設計。微軟和羅技于1998年憑借 SideWinder ? Freestyle Pro 和 WingMan Gamepad Extreme 游戲控制器開創了這一理念。采用ADI公司的ADXL202雙軸 i MEMS傳感器。 Freestyle Pro于1998年在電子娛樂博覽會上榮獲“最具潛力的新周邊”獎。

在游戲開發的這個階段，很少有設計師將動作感應作為游戲設計的內在元素。如果用戶想要通過傾斜而不是按下按鈕來控制游戲，則雙軸傾斜感應簡單地替換D-pad（方向板）。傾斜可以做一些突破性的事情來增加游戲體驗：當你向后傾斜控制器時，你可以在騎馬游戲中騎摩托車騎自行車。在飛行模擬器中，向左和向右傾斜控制器可能會導致星球大戰X翼戰斗機向左或向右俯沖運動。在駕駛和飛行游戲中，嚴重依賴D-pad進行控制的體驗從這種類型的傾斜運動控制中獲益最多。但這個概念并非游戲設計中不可或缺的一部分，并沒有找到主要的消費者牽引力。支持運動的控制器的成本增加以及缺乏真正的基于運動的體驗限制了微軟和羅技產品的吸引力。

任天堂是第一個采用運動傳感來協調硬件和游戲概念，在他們的 Yosshie-no Banyu-Inryoku 和 Koro-Koro Kirby（Kirby Tilt'n'Tropble） GAMEBOY游戲中。這些創新游戲證明了直觀的基于動作的游戲市場存在。兩者都在游戲卡盒本身中加入了ADXL202加速度計，使用傾斜來以很多年齡和技能水平可以理解的方式移動角色。 Koro-Koro Kirby 在傾斜的桌子上使用大理石的原理，這是許多兒童和成人在現實生活中玩過的玩具。當將這種游戲體驗轉移到虛擬世界時，任天堂不需要學習新技能，因為玩家控制著物理傾斜的大理石Kirby。 MEMS加速度計使用的功率非常小，可以用作便攜式應用中整個游戲過程的主要控制，而不會過度消耗電池。使用IC加速度計增加運動的成本也達到了不會影響消費者價格的程度。這些標題吸引了廣泛的觀眾，直觀，易學，有趣。全世界銷售了數十萬份。

直觀游戲設計：開發基于運動的應用程序

“由于我以前使用過加速度傳感器的產品，我對我可以期待的特性和限制有一個大概的了解。這項技術。根據這一經驗，我已經知道我們需要在電視附近有一個絕對的參考點，以提高控制的可靠性“。

-Akio Ikeda，在接受Satoru Iwata，Wii采訪時啟動網站，2006。

設計任何游戲的第一步是生成核心情節和用戶概念。這包括UI設計者將創建的虛擬世界，每個玩家的目標以及玩家與用戶界面的交互。直觀設計的最基本要素是捕捉某人已經在現實世界中所做的活動并將其帶入虛擬世界，在那里可以存在創造力，不同挑戰和幻想 - 但玩家不需要學習任何新技能玩。將物理活動轉換為控制開始于運動傳感器。在游戲設計中使用傳感器數據有幾種主要的方法，但它們都是從運動傳感器如何工作的基礎開始 - 特別是加速度計。 [參見操作原理。]

最重要的是要記住加速度計測量加速度。任何包含運動（包括振動和沖擊）的東西都可以通過加速度計進行測量，因此每個應用都有不同的加速度計要求和限制。

運動游戲應用類別

簡單的傾斜閾值

Kirby Tilt'n'Tropble 是使用的一個主要示例傾斜閾值。使用傾斜相當于使用地球重力場作為沿垂直（Z）軸的1- g 參考加速度（取決于位置，g約為9.8 m / s 2 ，或32英尺/秒 2 ）。當設備處于完全水平狀態時，X和Y軸將分別經歷0 g （圖2）。

當玩家傾斜控制器時，游戲設計師想要知道傾斜量是否超過特定閾值。用于測量傾斜的方法是固有的三角關系。加速度計的X和Y輸出作為傾斜角度的函數，θ x 和θ y （X和Y軸與水平面成角度），與 g sinθ x 和 g sinθ y 成比例。

在游戲中比如 Tilt'n'Tropble ，玩家試圖模仿真實重力的影響，沒有必要知道實際角度（通過反三角函數計算）;設備的輸出物理模擬影響虛擬大理石運動的力。

對于這個僅取決于與水平方向的X軸和Y軸角度的游戲，不需要三軸加速度計。實際上，在X軸和Y軸水平且Z軸垂直的情況下，器件的Z輸出與角度偏差的余弦成比例，θ z ，與垂直 - 在沒有進一步處理的情況下，這個應用程序不是很有用。

歷史上，Kirby使用了XY加速度計。微軟的 Sidewinder Freestyle Pro 使用XY傳感器測量傾斜度，以控制D-Pad上左右上下動作的速度。如果應用僅需要傾斜，則2軸加速度計是低成本替代方案。

手勢識別：用戶生成的加速

感興趣的更多比重力測量？像2006年E3媒體和商業峰會所展示的 Wii Sports Tennis 等游戲使用的玩家生成的動作遠遠超過了重力加速度。對于此類應用，ADXL330的每個軸的最小測量范圍為±3 g。不幸的是，涉及高速運動的游戲概念，例如高爾夫揮桿，可能超過許多低g加速度計的測量范圍。為了獲得活動的加速感，如果手臂被認為圍繞身體擺動一圈，則角加速度為：

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

包含x，y和z方向的分量。如果最大加速度暫時超出設備的測量范圍，設計選擇包括使用具有更高最大范圍但犧牲分辨率或模擬過載條件的加速度計 - 這需要測量過載何時開始以及何時結束。這需要在整個范圍內具有非常線性的性能，直至達到飽和。

用戶生成的運動難以建模，因為人類運動員具有解剖學差異并且以相同的意圖以不同的方式直觀地移動。游戲開發人員需要進行大量的測試和調整才能成功地模擬這種交互。在可測試模型中記錄大量運動并生成運動匹配算法和閾值已被證明是最有效的方法。

位置測量：加速度的整合

一個具有挑戰性的問題面向設計師的是加速度計是否可以成功地用于測量位置變化，因為位置是加速度相對于時間的雙重積分。顯而易見的方法是在適當的時間段內加倍整合加速度。沿X軸，

對于恒定加速度， a ，

因此，任何時候的X位置都取決于初始位置，即初始速度隨時間增加的位置，和時間的平方。

在相對較短的時間內整合是合理的。長期以來，風險在 t 2 術語中。錯誤隨著時間的推移而增加; 1000秒后的錯誤比1秒大1,000,000倍。加速度測量中的任何小偏移誤差，特別是對于消費級設備，將很快產生難以忍受的誤差水平，并最終（小時，甚至幾分鐘）將計算位置驅動到其極限。即使沒有錯誤的無噪聲加速度計也會在很長一段時間內集成其他問題。例如，持有控制器的人可能會撞擊一個物體或將其掉落到地面，導致成千上萬的 gees 震動，從而將加速度計輸出驅動到極限。

任天堂通過結合加速度計使用位置參考來解決Wii中的這個問題。通過將位置與參考相關聯，任天堂可以通過周期性重置來限制集成的長度，從而適當地減少誤差增長。

設計直觀的基于動作的游戲：選擇傳感器

“當人們抱怨舊控制器的用戶友好程度如何時，我表示同情;我記得在我第一次玩Marathon時嘗試掌握鼠標和鍵盤界面，然后是Halo的雙操縱桿設置，這是一個嚴峻的挑戰......相比之下，Wii控制器非常簡單。任天堂真的已經取消了非專業人士的主要障礙。根本沒有學習曲線。“

-Lev Grossman，回應讀者對他的文章”所有年齡的游戲“的反饋，時代雜志，2006年5月15日。

本文的第一部分描述了在游戲控制中測量和使用加速度數據的一些方法。然而，現實世界的加速度計的問題在于它們不能完美地運行，它們占據空間，它們需要電力，它們易受溫度變化的影響，并且它們可能受到濫用。最后一節提供了對游戲所需的性能特征，傳感器供應商的期望，以及如何測試這些參數的一些見解。

線性

牛頓世界是線性的和運動的是線性的，因此加速度計應該是線性的。在整個范圍內的線性行為是必不可少的，因為人類期望直觀游戲的可預測響應。如果您的手臂移動速度提高兩倍，則屏幕操作應該快兩倍。如果實際速度更快或更慢，您必須學習非線性運動作為一項特殊技能，使游戲不直觀。傾向于在沒有相應用戶動作的情況下意外地從一個角度跳到另一個角度的游戲可能會讓人感到不安。

在±1- g 范圍內測試線性度相對簡單。使用旋轉插座，每個軸都可以根據重力，與重力相反，以及在中間位置進行測試，記錄每個測量點的角度和輸出加速度。超過1 g ，振動器和速率表變得必要。加速度計供應商可提供線性統計數據以驗證數據表值。更復雜但可能更快的方法是使用交流運動測試和總諧波失真測量來直接與線性關聯。

功耗

消費類MEMS運動傳感器必須用于低壓無線設備。降低加速度計的功耗可以節省功耗預算，實現更強大的通信，設計其他部分的更便宜的組件以及更長的電池壽命。低功耗器件，如ADXL330，通常可以從2 V電源吸收200 mA電流 - 即使沒有電源循環 - 有助于開發無線控制器，除了具有較長的播放時間外，還可以自由移動游戲玩家希望使用動作的直觀方式。具有快速開啟時間的加速度計允許循環供電，從而節省更多功率。游戲設計師可以打開和關閉它們，以人類玩家預期移動的速度進行采樣。建議采用100 Hz采樣率作為平滑運動游戲的底線，實現50 Hz的帶寬。

溫度性能

考慮到運動敏感設備，溫度性能至關重要通常被握在一個人的手中，因此在比賽期間變得更加溫暖。出色的溫度特性也很重要，因為無論是室外還是室內，性能必須能夠在任何游戲環境中預測。控制臺甚至可用于配備視聽系統的汽車的低溫下。

溫度性能對游戲的最關鍵影響是 zero-g 偏差隨溫度變化的線性度，以及靈敏度的溫度系數。零g輸出電壓基本上是器件的直流偏移。許多加速度計供應商在零g偏差上發布“盒子規格”，聲明輸出可以通過的任意誤差范圍。一些加速度計使用溫度傳感器來提供數字溫度補償。雖然這些技術可以將偏移保持在一定范圍內，但是當輸出掃過溫度時常常發生階梯不連續 - 有時高達25毫克，對應于傾斜應用中超過1度的誤差。測試此性能非常簡單，只需將加速度計掃描一系列溫度并監控輸出即可。強烈建議進行此測試;一些傳感器可以產生令人驚訝的結果。

穩健性和自檢

因為沖擊，振動和掉落的控制器會導致成千上萬的 gees 輸入加速度計，堅固的機械傳感器設計是必要的。 ADXL330具有與惡劣汽車環境相同的機械特性，可用于車輛穩定性控制等功能。如果出現問題，一個好的MEMS傳感器應具有完整的機械和電氣自檢功能，以便在玩家拿起控制器之前幫助診斷問題。

前進

歷史上，標準游戲控制器限制直觀游戲，要求玩家學習特定的控制技能。隨著游戲的進展，開發人員開始將現實世界的體驗轉化為虛擬世界游戲。現在，直觀游戲中的最新方法使用動作來實現新一代設計，使游戲更直觀，更有趣。本文為在游戲控制器中使用加速度計提供了基礎，包括操作機制，測量技術和直接影響游戲性能，價格，可靠性，驗證和測試的特定參數。

加速度計 - 操作原理

最新游戲中常用的運動傳感器是3軸加速度計 - 三維運動傳感器，其電輸出對應于 x 中的加速度分量， y < / em>和 z 指示。圖A顯示了完整的3軸加速度測量系統的電氣框圖，±3 g ADXL330，一個微型（4毫米見方，1.45毫米高）集成電路。它的工作電壓范圍為1.8 V至3.6 V，電流僅為180 mA。它可以感知動態（運動，沖擊和振動）和靜態（重力）加速度。

傳感器是一種建立在硅晶片頂部的多晶硅表面微加工結構。多晶硅彈簧將結構懸掛在晶片表面上并趨于抵抗加速力。結構的偏轉是使用差分電容器測量的，該差分電容器由連接到移動質量塊的板組成 - 在成對的獨立固定板之間移動，電壓由異相方波驅動。加速度使移動質量偏轉并使差分電容器失衡，從而產生方波輸出，其幅度與加速度成比例。相敏解調技術用于讀取加速度的幅度和極性。

每個解調輸出通過32kV電阻放大并通過芯片外部提供。用戶選擇的外部電容器提供濾波和設置帶寬。該設備還具有自檢功能，可檢測故障。圖B是加速度計芯片的照片。