基于體感技術(shù)的游戲重構(gòu)框架的應(yīng)用研究

凌財進

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 河源 517000 )

基于體感技術(shù)的游戲重構(gòu)框架的應(yīng)用研究

凌財進

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 河源 517000 )

為滿足體感游戲市場需求，降低3D游戲前期投入風(fēng)險，文章提出通過開發(fā)中間件模塊對游戲開發(fā)過程進行簡單改造，實現(xiàn)3D游戲向體感游戲平滑過渡的過程;先是簡單介紹了體感技術(shù)的原理和工作過程，接著結(jié)合Kinect硬件系統(tǒng)提出了3D游戲到體感游戲重構(gòu)框架(3D-MS重構(gòu)框架)，然后設(shè)計和實現(xiàn)了中間件模塊，并對現(xiàn)有3D游戲的提出具體改進策略和方法;最后以《神龍》游戲為案例進行了重構(gòu)和實驗測試，實驗表明3D-MS重構(gòu)框架是可行的，采用中間件技術(shù)可平滑、快速實現(xiàn)從3D游戲到體感游戲，比直接改造游戲的效率高2.2倍，同時能提高游戲的人機互動效果。

體感技術(shù)；體感交互；游戲開發(fā)；游戲重構(gòu)

0 前言

3D游戲是近十年來對原2D游戲的重要補充，其生動逼真的效果，在相當(dāng)長的時間里獲益不菲，同時，使得游戲公司投入了大量的資金。近年體感新技術(shù)推出，使得3D游戲人數(shù)增長減緩，前途漸漸變得不明朗，給游戲投資公司造成了極大的壓力。另一方面，體感游戲相比傳統(tǒng)的游戲,具有更加豐富的人機交互方式，及其所帶來的離開電腦和控制設(shè)備的,近似于在真實生活空間中的互動操作，可以為游戲玩家?guī)砀鼜姷恼鎸嵏泻筒倏馗?大大提升了游戲的操作性和可玩性，也因此深受玩家的喜愛。由于目前市場上基于體感技術(shù)的游戲作品較少，導(dǎo)致市場上體感游戲資源供不應(yīng)求，游戲玩家因此感到遺憾。

本文的研究是從游戲開發(fā)的角度對現(xiàn)有的3D游戲進行重構(gòu)和擴展，開發(fā)中間件模塊，實現(xiàn)3D游戲低成本、快速地向體感游戲切換，一定程度上滿足游戲玩家的需求，同時保障了游戲公司的前期投入。

1 體感技術(shù)

1.1 國內(nèi)外研究情況

體感技術(shù)是目前人機交互領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新興技術(shù)，又稱為動作感應(yīng)控制技術(shù)。機器通過某些感覺通道和動作通道(輸入方式：姿勢、視線、表情、語音、手寫等)方式對交互者(用戶)的動作進行識別、解析，并按照預(yù)定感測模式對相應(yīng)動作在機器端做出反饋。體感技術(shù)的實現(xiàn)主要包括體感硬件設(shè)備和體感軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。通常硬件和軟件是由同一廠商提供，目前主要有Microsoft，Nintendo和Sony等國際公司，國內(nèi)主要有小霸王、外星科技、小米等公司和品牌。早期的體感技術(shù)主要依靠各種硬件捕捉設(shè)備去完成；隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在借助激光等技術(shù)已經(jīng)小型化或集成在攝像頭上實現(xiàn)。

新體感技術(shù)的出現(xiàn)，給人機交互接口帶來便利，尤其在游戲開發(fā)和虛擬現(xiàn)實等方面，成為人機交互發(fā)展的新趨勢。相比早期的鼠標(biāo)、鍵盤，以及后來的配戴型的各種硬件設(shè)備，新體感技術(shù)完全不需要玩家攜帶任何捕捉設(shè)備便可進行便捷的交互，提升了操作的自由度，增強了整體的沉浸感，從而提高了體感交互的實用性和娛樂性。

1.2 體感的技術(shù)原理

體感技術(shù)的工作原理和工作過程其實也是挺簡單的，通過身體動作與數(shù)字設(shè)備及環(huán)境進行交互，根據(jù)用戶的動作來接收各種指令并執(zhí)行。其核心技術(shù)在于其先進的數(shù)字設(shè)備和光學(xué)設(shè)備，數(shù)字設(shè)備可以更加精準(zhǔn)有效的視覺系統(tǒng)去觀察現(xiàn)實世界，先進的光學(xué)等傳感器可以全方位的采集環(huán)境信息，使得數(shù)字設(shè)備具有智慧的大腦去精準(zhǔn)決斷和應(yīng)用，體感技術(shù)的基本工作原理和過程如圖1所示。

圖1 體感技術(shù)工作原理

根據(jù)體感發(fā)生機制的不同，體感技術(shù)主要可分為三大類：慣性感測模式、光學(xué)感測模式和聯(lián)合感測模式?？紤]到平臺的普遍性、硬件平臺集成的便捷性和價格的可接受性，本文選擇以光學(xué)感測模式的Kinect為體感硬件進行研究的，通過光學(xué)傳感器獲取人體影像的動作，在游戲中的內(nèi)容中呈現(xiàn)和互動。

1.3 體感開發(fā)技術(shù)對比

與其他體感游戲的實現(xiàn)一樣，基于Kinect的體感游戲主要包括體感硬件設(shè)備和體感軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。體感軟件系統(tǒng)主要由體感游戲和硬件驅(qū)動兩部分構(gòu)成，體感游戲的實現(xiàn)通常有多種選擇，在此我們針對主要的軟件開發(fā)框架和具體的軟件開發(fā)技術(shù)的對比，以便我們的開發(fā)更加合理，應(yīng)用推廣更加方便[1]。

目前，基于Kinect體感游戲有多種實現(xiàn)方式。其中，主要的兩種常用的方式，分別是Kinect SDK和OpenNI軟件開發(fā)框架，這兩種開發(fā)框架都有各自的優(yōu)缺點。對比如下表所示：

表1 Kinect體感游戲主要技術(shù)框架對比

由于本研究是改造傳統(tǒng)的3D游戲項目為體感游戲，Unity幾乎占據(jù)了整個3D游戲的市場；此外，從商業(yè)用途和操作系統(tǒng)支持等，以及從原有系統(tǒng)擴展便利性考慮，以便對原有模塊和接口進一步封裝和靈活調(diào)用等方面考慮，我們選擇了后者。

2 游戲重構(gòu)框架

一般來說體感游戲兩部分構(gòu)成，分別是：游戲軟件、體感硬件和硬件驅(qū)動程序。為節(jié)省前期投資，本研究提出通過對傳統(tǒng)3D游戲進行重構(gòu)，增加中間件的方式快捷開發(fā)，開發(fā)體感硬件和軟件接口的方式，實現(xiàn)傳統(tǒng)3D游戲向體感游戲高效轉(zhuǎn)化，我們稱之為3D游戲體感重構(gòu)框架(3-Dimensional Games to Motion Sensing GamesReconstitutionFramework,簡稱：3D-MS重構(gòu)框架)。

2.1 傳統(tǒng)游戲項目

傳統(tǒng)3D游戲項目是我們的改造對象，假設(shè)游戲項目開放源碼并且取得版權(quán)。通常完整的游戲包括創(chuàng)意、故事、游戲元素、任務(wù)系統(tǒng)、游戲規(guī)則、游戲智能、界面系統(tǒng)等10個方面功能模塊構(gòu)成。游戲玩家在操縱傳統(tǒng)游戲時，主要依靠簡單的鍵盤、鼠標(biāo)、手柄、屏幕等設(shè)備[2]，這種原始的人機交互方式在深度和廣度在很大程度上受到限制。當(dāng)游戲玩家想要引導(dǎo)游戲人物的轉(zhuǎn)身時，操縱者首先需要考慮的問題是控制角色轉(zhuǎn)身的鍵盤按鍵或手柄按鍵的位置，然后挪動手指到達相應(yīng)的按鍵，這個過程實際上增加了游戲玩家思維的負(fù)擔(dān)，并且造成思維的踴躍，增加了游戲玩家的反應(yīng)時間，也極大地影響了游戲玩家的交互體驗[3]。

針對傳統(tǒng)游戲，我們認(rèn)為必須經(jīng)過重構(gòu)才能更好地接入中間件，最后轉(zhuǎn)化為體感游戲。游戲智能、游戲操作和游戲界面是我們對傳統(tǒng)游戲改造的三大主要任務(wù)，也是與體感硬件和游戲玩家有交互的主要游戲模塊。

2.2 體感硬件系統(tǒng)

Kinect體感硬件系統(tǒng)已整合成一個整體，最新版本為Kinect 2.0，由彩色攝像頭、3D深度紅外感應(yīng)器、麥克風(fēng)陣列、馬達和電路等構(gòu)成。Kinect通過其核心模式與用戶模式和視頻組件與聲音組件實現(xiàn)了強大的人機交互方式，為體感游戲提供了可能。

2.3 中間件

中間件是我們整個3D-MS框架的核心，也是我們自行設(shè)計和開發(fā)的主要模塊。中間件整合了 Kinect 的驅(qū)動程序、開發(fā)包、Unity3D組件包和我們封裝的DLL類庫等。在游戲改造時，中間件模塊用作一個第三方軟件類庫導(dǎo)入到Unity開發(fā)平臺中，隨后在應(yīng)用中即可使用。

基于Kinect硬件平臺具有更加準(zhǔn)確的景深數(shù)據(jù)流，深度數(shù)據(jù)流的分析與應(yīng)用是中間件的一大任務(wù)。中根據(jù)景深技術(shù)，借助遮罩技術(shù)自動剔除非關(guān)鍵的動作，然后把含有關(guān)鍵動作的圖像提交給專家系統(tǒng)去判斷身體部位并根據(jù)前后識別結(jié)果(最新版本能識別每個玩家25個關(guān)節(jié)點)，并根據(jù)骨骼結(jié)點生成游戲?qū)ο蟮墓羌芟到y(tǒng)，以準(zhǔn)確評估游戲?qū)ο髮嶋H所處位置和動作。

中間件的第二個重要任務(wù)是完成手勢檢測和序列化。根據(jù)體感的深度數(shù)據(jù)流，結(jié)合數(shù)據(jù)堆的方式實現(xiàn)手勢檢測和序列化，由于Kinect采用的是光學(xué)傳感器來獲取人體動作指令，因此，Kinect在識別游戲玩家所處的景深方面具有更加精確。

在渲染前，中間件需進行粒子算法和專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。

圖2 3D-MS重構(gòu)框架

此外，提供類庫接入功能和體感信息讀取與原游戲的操作信息映射等功能。從3D-MS重構(gòu)框架圖可知道，中間件起到承上啟下的作用，向上需給游戲映射和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，包括位移變化、空間變化和操作狀態(tài)等；向下需要從Kinect硬件系統(tǒng)的各種傳感器中讀取數(shù)據(jù)，包括RGB數(shù)據(jù)流、深度數(shù)據(jù)流和聲音數(shù)據(jù)流[4-5]等；中間件另一個重要功能是提供體感游戲開發(fā)的接口方法，以及體感數(shù)據(jù)與游戲動作之間的映射關(guān)系，起到提高體感游戲效率，減少游戲的時間和成本，圖2是整個3D-MS重構(gòu)框架的構(gòu)成和交互關(guān)系圖。

3 游戲的重構(gòu)過程

這一環(huán)節(jié)，我們主要介紹中間件的實現(xiàn)和游戲的整合。在第二節(jié)里面，經(jīng)過分析比較我們選擇OpenNI為技術(shù)開發(fā)框架。OpenNI負(fù)責(zé)規(guī)范玩家體感的輸入和底層硬件的接口，但從OpenNI的共享接口到游戲應(yīng)用的實現(xiàn)，以及體感操作定義和互動都要由游戲開發(fā)者自行開發(fā)，為減少游戲廠家在這方面的這方面的開支，我們編寫這樣的部件程序，也就是我們中間件。

3.1 對現(xiàn)有游戲的重構(gòu)策略

前面已分析游戲由創(chuàng)意、故事、游戲元素、任務(wù)系統(tǒng)、游戲規(guī)則、游戲智能、界面系統(tǒng)等10個方面構(gòu)成，如圖2所示。游戲改造并不是所有都要改造，我們的改造策略主要是兼顧前期的投入和體感效果兩方面，因此，我們主要選擇了游戲智能、游戲界面和游戲操作三個子系統(tǒng)進行改造。

首先，對游戲智能方面我們的改造策略是重構(gòu)游戲中游戲角色的操縱方法，增加體感動作映射關(guān)系，在行走、跑、跳等方面讓玩家感覺他們就是真實存在的人一樣。傳統(tǒng)的游戲都是讓玩家通過鍵盤和鼠標(biāo)等操作設(shè)備完成游戲角色的行走、跑、跳、攻擊等動作，體驗游戲樂趣。改造后是通過體感技術(shù)這種全新、便捷的人機交互方式，讓游戲玩家全身的感官得到充分的解放，通過玩家在現(xiàn)實世界中動作來完成游戲角色的行為，輕松完成行走、跑步、跳躍、攻擊等動作，這種通過玩家在現(xiàn)實世界中動作來完成游戲角色的行為即時呈現(xiàn)在游戲過程中，而不需要經(jīng)過大腦進行太多的思索，使得游戲玩家的身體得到前所未有的解脫和自然的體驗。系統(tǒng)在開始時，首先獲取PC機的視頻流數(shù)據(jù)，然后通過攝像頭得到人體動作的圖像數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖處理、識別之后，將于解碼后的RGB分量相互疊加[6]，最后通過DVI接口將視頻數(shù)據(jù)輸出至顯示器，同時FPGA將控制信號傳送給PC機，達到控制PC機中游戲的目的。

游戲界面方面，改造策略是如何在各種顯示設(shè)備上向玩家呈現(xiàn)，向游戲玩家展現(xiàn)游戲最佳最精彩的效果。增加多角色多視覺的察看方式，游戲玩家通過屏幕觀看自己的設(shè)定角色和其他玩家角色，從不同視覺方式上查看。

3.2 中間件模塊的實現(xiàn)

框架模型的主要實現(xiàn)思路是通過體感硬件設(shè)備、通過骨骼等技術(shù)獲得游戲玩家的身體信息，把身體作為一種輸入設(shè)備，然后把身體信息作為游戲的指令參數(shù)映射到游戲中，把玩家在真實世界中的行為呈現(xiàn)在游戲當(dāng)中，并通過屏幕以游戲角色的方式展現(xiàn)出來，游戲玩家通過以“我為中心”這種方式實現(xiàn)與游戲角色的充分交互，中間件實現(xiàn)方法如下：

第一步：安裝OpenNI框架并導(dǎo)入kinectWrapper.unitypackage；

第二步：將OpenNI連接至 Kinect；

第三步：通過 PrimeSense編寫 OpenNI 驅(qū)動程序，應(yīng)用NITE模塊重寫 OpenNI方法；

第四步：Unity3D 使用Xm3D_MS接口，獲取身體信息實現(xiàn)相應(yīng)的功能實現(xiàn)，對 Kinect 傳過來的體感信息和數(shù)據(jù)進行處理；

第五步：編寫控制模型，綁定模型到游戲角色的相應(yīng)變量中，確保游戲角色和玩家行為節(jié)奏同步。

其中，在第四和第五步之間，我們還需要一個數(shù)據(jù)識別和處理環(huán)節(jié)，識別和傳遞游戲玩家身體信息，在此過程中需要用到kinectWrapper.unitypackage作為Unity3d 插件配合實現(xiàn)。此外，接口模塊中整合了KinectNuiInit()、DisplayDepth()、DisplayColor()、DepthWrapper()、KinectGetDepthImage()、KinectColorFrameToImage()、KinectGetSkeleton()、KinectJudgeTrack()、KinectDrawSkeleton()和KinectNuiUnInit()等功能，快捷地實現(xiàn)了Kinect的初始化、圖像獲取、游戲玩家分析和跟蹤、游戲合成場景的呈現(xiàn)和退出等操作。

通過以上方法，我們借助Kinect硬件系統(tǒng)識別游戲者在現(xiàn)實空間中的行走、跑步、跳躍、攻擊和受擊等游戲動作，實時捕獲體感數(shù)據(jù)并變成指令操控、指揮游戲。

其中，在第五步中，在原3D游戲人物模型基礎(chǔ)上，通過中間件預(yù)設(shè)的方法快速綁定骨骼模型，即時把游戲玩家的身體信息傳入到體感游戲中的人物角色中去，此過程包括骨骼和彩色數(shù)據(jù)的捕捉，通過堆的形式存放數(shù)據(jù)，根據(jù)先進先出的原則進行存儲和緩沖，對圖像進行疊加和識別，最后轉(zhuǎn)成對應(yīng)的指令，實時的捕獲傳遞的信號并及時做出反饋，骨骼模型與指令關(guān)系流程如圖3所示。動作識別過程用到了K-means 聚類算法獲取方向單元和骨骼點陣[7]。

圖3 骨骼模型和指令流程圖

3.3 集成實現(xiàn)

當(dāng)硬件、中間件安裝完畢，游戲進行必要的改造后，還需在Unity平臺上進行集成。通過庫的形式引入中間件到Unity，然后在游戲界面系統(tǒng)和和游戲智能上附加上寫好的C#接口骨骼追蹤代碼(類圖)如圖4所示，代碼附加與代碼映射界面如圖5所示，將Project窗口的OpenNI-->OpenNISettings拖動到Hierarchy窗口；在Hierarchy窗口選中soldier，將Project窗口的腳本NISkeletonController拖到Inspector中，完成人物模型的驅(qū)動；調(diào)用 MSR_NuiDeviceCount 方法來確定傳感器數(shù)量；接著，使用new Runtime(index)方法創(chuàng)建一個新的 Runtime 對象和傳遞一個參數(shù)，實例化一個傳感器設(shè)備；然后，調(diào)用 Runtime.Initialize方法來初始化設(shè)備實例的NUI(自然用戶界面) API；另外，在管理界面調(diào)用圖像流時，骨骼數(shù)據(jù)和管理攝像頭等方法；體感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成操作指令，執(zhí)行游戲場景，最后調(diào)用 Runtime.Shutdown完成整個過程。

圖4 骨骼追蹤代碼(類圖)

圖5 代碼附加與代碼映射界面

4 效果測試與實驗評估

我們提出游戲3D-MS重構(gòu)框架，并通過整合和抽象的方式實現(xiàn)了3D-MS中間件各類功能和接口，使得中間件快速實現(xiàn)了傳統(tǒng)3D游戲重構(gòu)成體感游戲，這種基于體感的游戲為游戲玩家?guī)硪环N全新的游戲交互方式，克服了傳統(tǒng)游戲僅能依靠鍵盤、鼠標(biāo)或手柄這樣的簡單設(shè)備進行人機交互的方式，游戲玩家通過肢體動作，如行走、跑步、跳躍、攻擊和受擊等就能夠與游戲中的虛擬角色實現(xiàn)同步，從而使得玩家為中心的新型游戲形式，我們通過對原三維游戲的升級改造得到新型的體感游戲，在很大程度上消除了虛擬世界與真實世界的距離，充分顯示體感游戲的真實性。為測試實驗效果，我們邀請了6位游戲開發(fā)者和90位同學(xué)作為游戲玩家對中間件使用和體感游戲體驗進行評估。

6位游戲開發(fā)者對中間件的實現(xiàn)方式表示認(rèn)同，認(rèn)為使用中間件能快速提高體感游戲的開發(fā)效率，改造現(xiàn)有的游戲?qū)崿F(xiàn)體感游戲，在公司快速增加游戲新興市場的份量起到非常重要作用，尤其為小型游戲公司或游戲作坊提供了超車的快捷渠道。

開始階段，我們安排60位同學(xué)分別操縱改造前的《神龍》游戲(稱為傳統(tǒng)游戲)和改造后的《神龍》游戲(稱為體感游戲)。在游戲開始之前，我們對測試成員進行了1個小時的訓(xùn)練和試用。最后，對游戲結(jié)果和訪談進行記錄，同學(xué)全體認(rèn)為體感游戲操作更加方便，更符合人的思考方式，操作游戲不需要太多的思考；其次，他們認(rèn)為體感游戲讓人感覺新鮮，玩起來不覺得累。游戲為人機對戰(zhàn)，在傳統(tǒng)游戲環(huán)節(jié)共48人取勝，體感游戲環(huán)節(jié)52人獲勝。從游戲結(jié)果上看，體感游戲并沒有取得大幅提升。為了排除可能存在著對游戲故事情節(jié)熟悉度的影響，在第二階段我們另外招聘了30位同學(xué)，并且改變游戲順序，培訓(xùn)過程保持一致。先讓測試同學(xué)操縱體感游戲，然后玩?zhèn)鹘y(tǒng)游戲，實驗中分別為26人和25人獲勝。可見，體感游戲人機交互比傳統(tǒng)稍好。

由于中間件是部署在客戶端，基本不改變對服務(wù)器壓力；另外，基于OpenNI實現(xiàn)Kinect對客戶端需求不大。因此，雖然豐富了游戲與玩家之間的互動和體驗，但并不會對影響玩家和游戲公司造成很大的壓力。

5 總結(jié)

本文通過重構(gòu)傳統(tǒng)3D游戲和開發(fā)中間件的方式，實現(xiàn)傳統(tǒng)游戲向體感游戲順利過度，為重構(gòu)傳統(tǒng)游戲提供一種科學(xué)可行的途徑。我們通過 Kinect 識別游戲玩家在現(xiàn)實世界中的各種動作等信息，實時捕獲體感數(shù)據(jù)，加強了游戲中玩家的“自我為中心”的體驗。這種基于Kinect 的體感游戲，讓游戲玩家通過感知這種客觀的空間，重構(gòu)了主體以往的經(jīng)驗，強化了主體在原有認(rèn)知上的體驗，由此獲得不同于傳統(tǒng)游戲的全新體驗，而這一切的實現(xiàn)不需要游戲從零開始，而是通過3D-MS模型來完成。

實驗結(jié)果表明，3D-MS游戲重構(gòu)框架的開發(fā)效率是在原有游戲基礎(chǔ)的近2.2倍；同時，中間件的實現(xiàn)也兼顧了體感游戲玩家的感受，讓玩家能享受體感游戲應(yīng)有的互動和感受，據(jù)實驗玩家反饋良好，基本達到了我們的目標(biāo)。在接下來的研究中，一是將加強體感的精度和控制，二是將在框架的中間件模型中引入增強現(xiàn)實技術(shù)，使得游戲改造和重構(gòu)更加省時、便捷的同時，讓玩家體驗更加人性化。

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Applied Research on Game Reconstruction Framework Based on Somatosensory Technology

Ling Caijin

(College of EIE, Heyuan Polytechnic, Heyuan 517000, China)

To meet the somatosensory game market demand and to reduce the risk of 3D games pre-investment, the article proposes a simple transformation of the game development process through the development of middleware module, and realizes the smooth transition of 3D game to somatosensory game.Firstly, the principle and working process of somatosensory technology are introduced, and then a 3D game to somatosensory game reconstruction framework (3D-MS reconstruction framework) is proposed in combination with Kinect hardware system. Then, the middleware module is designed and implemented; the game specific improvement strategies and methods are proposed. Finally, the game of Dragon is reconstructed and experimentally tested. The experiment shows that the 3D-MS reconstruction framework is feasible.The middleware technology can be used to realize the game smoothly and quickly from 3D game to somatosensory game, 2.2 times more efficient than without 3D-MS framework, while improving the game man-machine interaction effect.

somatosensory technology;somatosensory interaction; game development; game reconstruction

2017-06-26；

2017-07-11。

廣東省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃教育信息課題；廣東省教育教學(xué)改革項目 (201401232)。

凌財進(1983-)，男，廣東河源人，碩士，講師，主要從事虛擬現(xiàn)實、游戲開發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)安全等方向的研究。

1671-4598(2017)08-0187-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.048

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