艾兵 張敏 趙元清
摘 要: 體感游戲是視覺與本體感覺和動作控制的集合,伴隨著虛擬現(xiàn)實技術的迅猛發(fā)展,正逐步走入市場。為了達到視覺、運動相結合的目的,采用加速度傳感器與VGA顯示器相結合的方法,通過戴有速度手套的手的運動來完成對游戲界面中的滑塊控制,接住隨機下落的方塊而獲得分數(shù)。最后進行了板級測試,實現(xiàn)了開機界面、模式切換、難度調節(jié)、計分、游戲暫停與重新開始等功能。通過驗證,游戲獲得了較好的互動性、參與感與沉浸感。
關鍵詞: 加速度傳感器; FPGA; VGA; 體感游戲
中圖分類號: TN710?34 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)06?0047?04
0 引 言
計算機游戲領域已經到了一個同質化相當嚴重的時代。機械性的重復相同的動作致使玩家的興趣越來越低。而現(xiàn)在游戲產業(yè)迎來了一個轉折點,開始向交互性、置入感等方向發(fā)展。而良好的沉浸感要求游戲必須在互動性上有創(chuàng)新[1]。過去,游戲大部分是通過鍵盤與鼠標來完成控制的,但隨著傳感器技術、微機視覺的進步,使得利用自己的行動來對機器發(fā)出指令的愿望得以實現(xiàn)。這種人機互動模式以更為自然性、直觀性的運動、語音等摸式代替電腦的鍵盤和鼠標等外設。
現(xiàn)在已經有了很多創(chuàng)新成果,如三維攝像機、傳感器球拍、數(shù)據(jù)手套等。一些公司也推出了各種平臺,如日本任天堂公司的Wii、微軟的Kinect、華碩的Xtion等。這些設備一般較為昂貴,本文設計目的是低成本來完成人機交互,利用FPGA作為主控制器,借助現(xiàn)代家庭較為普及的電腦的顯示器,實現(xiàn)體感游戲的設計,提高游戲的沉浸感與趣味性[2],同時保持了對于鍵盤操作的兼容性。
1 系統(tǒng)設計方案
該系統(tǒng)主要由兩個部分組成,分別是數(shù)據(jù)采集單元、顯示控制單元。數(shù)據(jù)采集單元主要實現(xiàn)對運動控制信息的采集、數(shù)據(jù)的修正與處理、上傳到顯示控制單元等功能。顯示控制單元主要實現(xiàn)游戲的開始、難度設定、模式切換、顯示等功能。整體框圖如圖1所示。
1.1 數(shù)據(jù)采集單元
數(shù)據(jù)采集單元主要包括從控制器、加速度傳感器、LED顯示、按鍵、串口四個硬件部分。各部分的選擇和功能如下:
從控制器選用STC89C51單片機,此系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、低功耗、高性價比的單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,并且有LQFP封裝,使得速度手套可以做到小型化。
加速度傳感器選用的是ADXL345。它是一款完整的3 軸加速度測量系統(tǒng)。既能測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度,也能測量靜止加速度,例如重力加速度,使得器件可作為傾斜傳感器使用。本設計中利用了其測靜止加速度的功能,得到傾斜角度,從而產生控制指令。
采集單元中用了兩個LED燈,用于顯示當前速度手套的輸出狀態(tài):當左側燈亮說明發(fā)出的控制信號為向左運動。兩個按鍵輸入用于游戲的控制信號暫停和分數(shù)清零的信號的產生。
采集單元利用串口將控制信號上傳到顯示控制單元。RS232是由電子工業(yè)協(xié)會(Electronic Industries Association,EIA) 所制定的異步傳輸標準接口[3]。在低通信速率下,直接連接的最大物理距離為15 m,可以使得人能遠離屏幕來操作游戲,防止眼睛疲勞[4]。后期會考慮采用315模塊來實現(xiàn)無線的操作。
1.2 顯示控制單元
此單元是整個系統(tǒng)的核心,完成了游戲的大部分功能設計,主要包括主控制器、VGA接口、PS/2接口、獨立按鍵、數(shù)碼管、串口等硬件部分。
主控制器采用Altera于2004年推出的CycloneⅡ的FPGA, 型號為EPC2C8208。其功耗較低,核電壓只有1.2 V,片上RAM有162 Kb,可以用于配置為RAM,ROM,F(xiàn)IFO等,時鐘利用50 MHz的有源晶體產生。
總控制單元負責接收數(shù)據(jù)采集單元的信號、兩種游戲模式的切換和控制指令的產生、VGA顯示控制、游戲初始化界面存儲等。
2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
游戲主要實現(xiàn)的功能有:歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示;速度手套模式與鍵盤模式的切換;計分系統(tǒng),包含分數(shù)的顯示、清零等;游戲的難度等級設置、游戲的開始界面設計、暫停、結束、重新開始等功能。軟件設計包括單片機、FPGA的程序設計以及兩者通信指令編碼準則設定三個方面。
2.1 單片機程序設計
單片機部分主要功能為通過采集加速度傳感器和按鍵的信號,根據(jù)兩個單元間的編碼準則產生相應的控制指令,通過串口上傳到顯示控制中心。程序設計流程圖如圖2所示。
2.2 FPGA程序設計
FPGA是游戲的主控制器,完成了游戲的大部分功能,頂層設計文件中主要包括輸入顯示類模塊、VGA核心模塊、存儲模塊三類模塊。其中輸入顯示類模塊主要有分頻模塊、PS/2接收模塊、串口接收模塊、指令處理模塊、數(shù)碼管顯示模塊;存儲模塊包括基于FPGA片上RAM的RAM和ROM模塊。頂層設計框圖如圖3所示。
2.2.1 輸入顯示類模塊
獨立按鍵用于模式的選擇、游戲難度的調節(jié)、由歡迎界面到游戲界面的切換;串口部分用于接收來自數(shù)據(jù)采集單元的控制指令,經過譯碼模塊后送入模式選擇模塊;PS/2模塊用于接收鍵盤信號輸入并產生指令送入模式選擇模塊[5];數(shù)碼管用于顯示當前的游戲模式、難度等級和獲得分數(shù)。
顯示器采用的分辨率為640×480的,刷新頻率為60 Hz,根據(jù)VGA常見刷新頻率時序表可知,需要時鐘為25 MHz左右[6],板子輸入時鐘為50 MHz,經過分頻模塊后可以提供25 MHz的時鐘。
2.2.2 存儲模塊
設計中,由于采用的是FPGA的片上RAM作為存儲介質,受到其162 Kb的約束,只能設計大小為256×256的單色界面。存儲的數(shù)據(jù)位寬為32位,共2 048個,地址線為11位。
游戲界面因為要不斷修改,故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模塊中。其可同時有讀寫使能,因此可以同時讀寫,即使同時讀寫同一個地址也不會出錯,而且還可以設置成讀寫地址線各自獨立,不用考慮時分復用使用地址線的問題。這樣在實際代碼中就可以將RAM的讀和寫完全獨立考慮,分別由掃描輸出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊完成,兩者互不干擾[7?8]。圖4是RAM的讀寫時序圖。
開始界面由于是固定的,放入ROM中,初始化ROM文件中的數(shù)據(jù)可通過Matlab處理得到?,F(xiàn)在有一些字模軟件雖然可以讀取要顯示的圖片,但給出的數(shù)據(jù)格式并不能初始化ROM的,因此,利用Matlab編寫了一段圖片處理程序,可以讀取圖片,然后經過處理,生成一個可以直接復制到ROM初始化文件中的數(shù)組形式。這樣,使得圖片顯示操作簡單,圖片替換更容易。
2.2.3 VGA控制模塊
在游戲界面設計中,存在主要的難點:小方塊隨機間隔下落、難度等級設置等。
在游戲中,為了增加游戲的難度,在設計中,小方塊的降落為兩個,而且是有一定的間隔、在隨機位置下落。小方塊的動態(tài)顯示是通過不斷修改RAM中要顯示圖像的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。游戲中方塊的長為32個像素(對應RAM中存儲的數(shù)據(jù)位寬,方便修改)[9],則界面中有8條下落路線,小方塊的下落是從界面頂端開始的,也就意味著RAM中的數(shù)據(jù)修改是從前8位的某一位開始的,因此實現(xiàn)隨機下落只需要產生一個1~8范圍的隨機數(shù)。在設計中,通過設計了一個偽隨機數(shù)產生器,生成一個9以內的隨機數(shù)作為RAM修改數(shù)據(jù)的起始位[10]。
第二個小方塊的下落是通過設定一個標志位Num2,當?shù)谝粋€方塊下落到游戲界面的中間位置時,置位Num2,從而觸發(fā)了第二個小方塊的下落進程,第二個方塊開始下落。其中,兩個小方塊下落修改數(shù)據(jù)的操作都是在VGA掃描的消隱階段完成的,因此每進行一次幀掃描,小方塊下落1個像素。VGA刷新頻率為60 Hz,因此小方塊每秒會下落60個像素。
當游戲操作者漏接的方塊數(shù)據(jù)到達一定數(shù)目m,游戲結束。難度等級是通過設置被控制方塊左右移動靈敏度和漏接方塊數(shù)目m來實現(xiàn)的。靈敏度越高,m越小,游戲等級越高。圖5,圖6分別是實物中,初始化界面和游戲界面。
2.3 通信編碼準則
單片機從加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)中提取出y軸的加速度值,由此可以判斷出速度手套的此時的狀態(tài)。它送往串口的數(shù)據(jù)不是加速度值,而是編碼后的指令。具體的編碼譯碼原則設定如表1所示。
表1 串口通信編碼準則
表1中FPGA譯碼是FPGA的串口接收模塊獲得后,解碼之后送給VGA顯示模塊的指令。游戲中保持了傳統(tǒng)鍵盤的兼容性,具體實現(xiàn)是通過PS/2模塊根據(jù)鍵盤輸入信號產生與表格1中FPGA譯碼相同的指令,送給VGA顯示模塊,完成對游戲的控制。
3 結 語
本文設計了一款基于FGPA的體感游戲,通過利用人體的動作完成對游戲的操作,利用VGA顯示技術來到達更好的類似虛擬現(xiàn)實的效果,同時系統(tǒng)也保持了對傳統(tǒng)游戲鍵盤操作的兼容性。
游戲通過加入人體的互動,使得游戲者可以對游戲有一種身臨其境的感覺,增加游戲趣味性、交互性、構想性,同時也使得參與者身體得到運動與鍛煉。
游戲最后實現(xiàn)了常規(guī)游戲的基本功能,主要有歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示;速度手套模式與鍵盤模式的切換;計分系統(tǒng),包含分數(shù)的顯示、清零等;游戲的難度等級設置、顯示以及游戲的結束;游戲的暫停、重新開始等功能等。最后在硬件平臺實現(xiàn),表明游戲具有可玩性、趣味性,并能使游戲者獲得較好的游戲體驗。
參考文獻
[1] 薛凱.新型人機互動技術在游戲中的應用探索[J].寧夏師范學院學報,2011,32(6):55?58.
[2] 董士海.人機交互的進展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2004(1):1?12.
[3] 魏軍輝.基于FPGA的PS/2鍵盤接口的設計[J].微計算機信息,2008,24(9):139?140.
[4] 劉韜,樓興華.FPGA數(shù)字電子系統(tǒng)設計與開發(fā)實例導航[M].北京:人民郵電出版社,2005.
[5] 姚遠,李辰.FPGA 應用開發(fā)入門與典型實例[M].北京:人民郵電出版社,2010.
[6] 張亞平,賀占莊.基于FPGA的VGA顯示模塊設計[J].計算機技術與發(fā)展,2007,17(6):242?245.
[7] 段磊.基于FPGA的VGA顯示系統(tǒng)[J].世界電子元器件,2007, (9):38?42.
[8] 陳姚節(jié),盧建華.基于FPGA的VGA顯示接口的研究與設計[J].交通與計算機,2005,23(2):47?49.
[9] 陳彬.基于FPGA的視頻圖像處理系統(tǒng)設計[D].重慶:重慶大學,2006.
[10] 潘松.EDA技術與VHDL[M].3版.北京:清華大學出版社,2009.
[11] 陳志生,陳景賢.基于FPGA的多分辨率VGA圖像控制器設計[J].現(xiàn)代電子技術,2008,31(13):187?189.
[12] 吳子賢,孫昊,龐少龍.基于ADSP-BF533的VGA顯示控制器設計[J].電子科技,2013(9):189?191.
游戲界面因為要不斷修改,故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模塊中。其可同時有讀寫使能,因此可以同時讀寫,即使同時讀寫同一個地址也不會出錯,而且還可以設置成讀寫地址線各自獨立,不用考慮時分復用使用地址線的問題。這樣在實際代碼中就可以將RAM的讀和寫完全獨立考慮,分別由掃描輸出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊完成,兩者互不干擾[7?8]。圖4是RAM的讀寫時序圖。
開始界面由于是固定的,放入ROM中,初始化ROM文件中的數(shù)據(jù)可通過Matlab處理得到?,F(xiàn)在有一些字模軟件雖然可以讀取要顯示的圖片,但給出的數(shù)據(jù)格式并不能初始化ROM的,因此,利用Matlab編寫了一段圖片處理程序,可以讀取圖片,然后經過處理,生成一個可以直接復制到ROM初始化文件中的數(shù)組形式。這樣,使得圖片顯示操作簡單,圖片替換更容易。
2.2.3 VGA控制模塊
在游戲界面設計中,存在主要的難點:小方塊隨機間隔下落、難度等級設置等。
在游戲中,為了增加游戲的難度,在設計中,小方塊的降落為兩個,而且是有一定的間隔、在隨機位置下落。小方塊的動態(tài)顯示是通過不斷修改RAM中要顯示圖像的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。游戲中方塊的長為32個像素(對應RAM中存儲的數(shù)據(jù)位寬,方便修改)[9],則界面中有8條下落路線,小方塊的下落是從界面頂端開始的,也就意味著RAM中的數(shù)據(jù)修改是從前8位的某一位開始的,因此實現(xiàn)隨機下落只需要產生一個1~8范圍的隨機數(shù)。在設計中,通過設計了一個偽隨機數(shù)產生器,生成一個9以內的隨機數(shù)作為RAM修改數(shù)據(jù)的起始位[10]。
第二個小方塊的下落是通過設定一個標志位Num2,當?shù)谝粋€方塊下落到游戲界面的中間位置時,置位Num2,從而觸發(fā)了第二個小方塊的下落進程,第二個方塊開始下落。其中,兩個小方塊下落修改數(shù)據(jù)的操作都是在VGA掃描的消隱階段完成的,因此每進行一次幀掃描,小方塊下落1個像素。VGA刷新頻率為60 Hz,因此小方塊每秒會下落60個像素。
當游戲操作者漏接的方塊數(shù)據(jù)到達一定數(shù)目m,游戲結束。難度等級是通過設置被控制方塊左右移動靈敏度和漏接方塊數(shù)目m來實現(xiàn)的。靈敏度越高,m越小,游戲等級越高。圖5,圖6分別是實物中,初始化界面和游戲界面。
2.3 通信編碼準則
單片機從加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)中提取出y軸的加速度值,由此可以判斷出速度手套的此時的狀態(tài)。它送往串口的數(shù)據(jù)不是加速度值,而是編碼后的指令。具體的編碼譯碼原則設定如表1所示。
表1 串口通信編碼準則
表1中FPGA譯碼是FPGA的串口接收模塊獲得后,解碼之后送給VGA顯示模塊的指令。游戲中保持了傳統(tǒng)鍵盤的兼容性,具體實現(xiàn)是通過PS/2模塊根據(jù)鍵盤輸入信號產生與表格1中FPGA譯碼相同的指令,送給VGA顯示模塊,完成對游戲的控制。
3 結 語
本文設計了一款基于FGPA的體感游戲,通過利用人體的動作完成對游戲的操作,利用VGA顯示技術來到達更好的類似虛擬現(xiàn)實的效果,同時系統(tǒng)也保持了對傳統(tǒng)游戲鍵盤操作的兼容性。
游戲通過加入人體的互動,使得游戲者可以對游戲有一種身臨其境的感覺,增加游戲趣味性、交互性、構想性,同時也使得參與者身體得到運動與鍛煉。
游戲最后實現(xiàn)了常規(guī)游戲的基本功能,主要有歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示;速度手套模式與鍵盤模式的切換;計分系統(tǒng),包含分數(shù)的顯示、清零等;游戲的難度等級設置、顯示以及游戲的結束;游戲的暫停、重新開始等功能等。最后在硬件平臺實現(xiàn),表明游戲具有可玩性、趣味性,并能使游戲者獲得較好的游戲體驗。
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[12] 吳子賢,孫昊,龐少龍.基于ADSP-BF533的VGA顯示控制器設計[J].電子科技,2013(9):189?191.
游戲界面因為要不斷修改,故存放在基于FPGA片上RAM的RAM模塊中。其可同時有讀寫使能,因此可以同時讀寫,即使同時讀寫同一個地址也不會出錯,而且還可以設置成讀寫地址線各自獨立,不用考慮時分復用使用地址線的問題。這樣在實際代碼中就可以將RAM的讀和寫完全獨立考慮,分別由掃描輸出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊完成,兩者互不干擾[7?8]。圖4是RAM的讀寫時序圖。
開始界面由于是固定的,放入ROM中,初始化ROM文件中的數(shù)據(jù)可通過Matlab處理得到?,F(xiàn)在有一些字模軟件雖然可以讀取要顯示的圖片,但給出的數(shù)據(jù)格式并不能初始化ROM的,因此,利用Matlab編寫了一段圖片處理程序,可以讀取圖片,然后經過處理,生成一個可以直接復制到ROM初始化文件中的數(shù)組形式。這樣,使得圖片顯示操作簡單,圖片替換更容易。
2.2.3 VGA控制模塊
在游戲界面設計中,存在主要的難點:小方塊隨機間隔下落、難度等級設置等。
在游戲中,為了增加游戲的難度,在設計中,小方塊的降落為兩個,而且是有一定的間隔、在隨機位置下落。小方塊的動態(tài)顯示是通過不斷修改RAM中要顯示圖像的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。游戲中方塊的長為32個像素(對應RAM中存儲的數(shù)據(jù)位寬,方便修改)[9],則界面中有8條下落路線,小方塊的下落是從界面頂端開始的,也就意味著RAM中的數(shù)據(jù)修改是從前8位的某一位開始的,因此實現(xiàn)隨機下落只需要產生一個1~8范圍的隨機數(shù)。在設計中,通過設計了一個偽隨機數(shù)產生器,生成一個9以內的隨機數(shù)作為RAM修改數(shù)據(jù)的起始位[10]。
第二個小方塊的下落是通過設定一個標志位Num2,當?shù)谝粋€方塊下落到游戲界面的中間位置時,置位Num2,從而觸發(fā)了第二個小方塊的下落進程,第二個方塊開始下落。其中,兩個小方塊下落修改數(shù)據(jù)的操作都是在VGA掃描的消隱階段完成的,因此每進行一次幀掃描,小方塊下落1個像素。VGA刷新頻率為60 Hz,因此小方塊每秒會下落60個像素。
當游戲操作者漏接的方塊數(shù)據(jù)到達一定數(shù)目m,游戲結束。難度等級是通過設置被控制方塊左右移動靈敏度和漏接方塊數(shù)目m來實現(xiàn)的。靈敏度越高,m越小,游戲等級越高。圖5,圖6分別是實物中,初始化界面和游戲界面。
2.3 通信編碼準則
單片機從加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)中提取出y軸的加速度值,由此可以判斷出速度手套的此時的狀態(tài)。它送往串口的數(shù)據(jù)不是加速度值,而是編碼后的指令。具體的編碼譯碼原則設定如表1所示。
表1 串口通信編碼準則
表1中FPGA譯碼是FPGA的串口接收模塊獲得后,解碼之后送給VGA顯示模塊的指令。游戲中保持了傳統(tǒng)鍵盤的兼容性,具體實現(xiàn)是通過PS/2模塊根據(jù)鍵盤輸入信號產生與表格1中FPGA譯碼相同的指令,送給VGA顯示模塊,完成對游戲的控制。
3 結 語
本文設計了一款基于FGPA的體感游戲,通過利用人體的動作完成對游戲的操作,利用VGA顯示技術來到達更好的類似虛擬現(xiàn)實的效果,同時系統(tǒng)也保持了對傳統(tǒng)游戲鍵盤操作的兼容性。
游戲通過加入人體的互動,使得游戲者可以對游戲有一種身臨其境的感覺,增加游戲趣味性、交互性、構想性,同時也使得參與者身體得到運動與鍛煉。
游戲最后實現(xiàn)了常規(guī)游戲的基本功能,主要有歡迎界面與游戲界面的切換以及VGA顯示;速度手套模式與鍵盤模式的切換;計分系統(tǒng),包含分數(shù)的顯示、清零等;游戲的難度等級設置、顯示以及游戲的結束;游戲的暫停、重新開始等功能等。最后在硬件平臺實現(xiàn),表明游戲具有可玩性、趣味性,并能使游戲者獲得較好的游戲體驗。
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