大型體感互動遊戲裝置實(shí)作：『防衛(wèi)封鎖線之花團(tuán)錦簇』

中文摘要

　　遊戲除了能讓玩家獲得身心愉悅之外，還能從遊戲中獲得學(xué)習(xí)的附加效果，本研究設(shè)計(jì)出一套結(jié)合體感裝置和3D畫面的大型遊戲裝置系統(tǒng),可經(jīng)由遊戲?qū)W習(xí)訓(xùn)練玩家兩種能力，一種是反應(yīng)速度、另一種則是手足協(xié)調(diào)性。為了使玩家能在遊戲中同時訓(xùn)練出上述兩種能力，系統(tǒng)將遊戲的按鈕全部以外接式的立體裝置來取代而非一般傳統(tǒng)的鍵盤或搖桿控制，遊戲機(jī)制方面則將敵人出現(xiàn)的方式以左中右三路的方式來進(jìn)行對戰(zhàn)，使玩家必須在短時間內(nèi)判斷出攻擊方向，當(dāng)攻擊方向決定之後玩家必須使用裝置上的軸向感應(yīng)器轉(zhuǎn)動軸向來進(jìn)行攻擊，此項(xiàng)對戰(zhàn)主要是藉由遊戲來訓(xùn)練玩家的反應(yīng)速度。裝置上還配有其他的體感攻擊感應(yīng)介面，該裝置介面使用了一些不同位置上的按鈕以及特殊裝置。在攻擊敵人時，玩家必須使用手部與足部來控制各類攻擊方式，此方式是為了讓玩家能藉由遊戲訓(xùn)練其身心整體的協(xié)調(diào)性。

關(guān)鍵詞：大型體感遊戲、裝置設(shè)計(jì)、遊戲?qū)W習(xí)、反應(yīng)訓(xùn)練、協(xié)調(diào)性訓(xùn)練

ABSTRACT

In addition to the game to allow gamers access to mental and physical pleasure, the focus is to learn the outcome of the game, the system will be learning the game is divided into two types of reaction speed, and the other is coordination. In order to make the game can be reached by the two links, will be the game into extra button to connect all three-dimensional devices instead of ordinary keyboard control, the program will respect the enemy appears to change into a three-way left to right so that players must be in a short time to judge the direction of the attack, when the direction of the attack after the players decided to use the device of the axial rotation axis sensors are allowed to carry out attacks, the response speed of the game for learning. Device attacks have, in addition, each of different ways to attack the location of the button, as well as special equipment. When the enemy in the attack, players must use the hand and foot to control the attacks. This part is to enable the players in the game for the coordination of learning.

Key Words：Motion-Sensitive Game Design、Large Installation Construction、Game learning、Reaction Training

壹、緒論

一、創(chuàng)作動機(jī)與理念

隨著數(shù)位遊戲市場的開發(fā)，截至目前為止遊戲市場中大型機(jī)臺所佔(zhàn)的比率不在少數(shù)，但大部分以虛擬實(shí)境為主要設(shè)計(jì)訴求；而其中針對遊戲?qū)W習(xí)的裝置並不多見，且大多以年齡層較低的幼兒為遊戲?qū)W習(xí)裝置的開發(fā)對象。本系統(tǒng)所開發(fā)出來的大型機(jī)臺主要是以具有自主學(xué)習(xí)能力者為主要的使用對象，而遊戲操控方式必須手腳並用來達(dá)到攻擊敵人的目的，本遊戲?qū)W(xué)習(xí)融入實(shí)體互動裝置中，藉此訓(xùn)練玩家身心的協(xié)調(diào)性和反應(yīng)力。

二、創(chuàng)作特色

使用本裝置除了能夠讓使用者獲得玩遊戲所帶來身心上的愉悅以及刺激之外，還能夠經(jīng)由遊戲互動過程學(xué)習(xí)並訓(xùn)練玩家的反應(yīng)力和協(xié)調(diào)性。為了使玩家能在遊戲互動過程中同時訓(xùn)練出以上兩種能力，系統(tǒng)以外接的方式配置按鈕介面和額外的體感感測輸入介面如三軸加速器、溫度感應(yīng)器、微動開關(guān)等，而非只是一般傳統(tǒng)的鍵盤滑鼠控制，遊戲機(jī)製方面則將敵人出現(xiàn)的方式以左、中、右三路並行的方式來進(jìn)行，玩家必須在短時間內(nèi)判斷出正確攻擊方向，當(dāng)攻擊方向決定之後玩家必須使用裝置上的軸向感應(yīng)器轉(zhuǎn)動軸向即可進(jìn)行攻擊，此項(xiàng)則為遊戲中反應(yīng)速度的學(xué)習(xí)。裝置上還另外有其他攻擊方式，每種攻擊方式都有不同位置的按鈕以及特殊感應(yīng)裝置。在攻擊敵人時，玩家必須使用手部與足部來控制不同的攻擊方式。此部份是為了讓玩家在遊戲中作協(xié)調(diào)性的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。期望透過使用本裝置進(jìn)行遊戲互動而讓使用者獲得生理以及心理雙方面的娛樂與學(xué)習(xí)。

貳、文獻(xiàn)探討

一、Arduino介紹

Arduino是一塊開放原始碼的的軟硬體平臺，構(gòu)建於開放原始碼 simple I/O 介面版，其開發(fā)環(huán)境擁有類似Java，C 語言的Processing/Wiring程式語言。Arduino的核心開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員包括：Massimo Banzi，David Cuartielles，Tom Igoe，Gianluca Martino，David Mellis 和 Nicholas Zambetti。

利用Arduino語言以及監(jiān)聽器可快速與FLASH、VirTools等軟體作溝通，通常製作出互動作品。可使開發(fā)引擎與電子元件例如Switch開關(guān)多類感測器或其他控制元件、LED、步進(jìn)馬達(dá)或其他輸出裝置進(jìn)行資料交換。開發(fā)Arduino程式之IDE介面作業(yè)環(huán)境基於免費(fèi)開放原始碼為設(shè)計(jì)理念，可以讓使用者免費(fèi)下載使用，以開發(fā)出更多令人驚豔的互動作品。

二、如何提升使用者於遊戲中的反應(yīng)時間

本遊戲裝置希望能讓使用者在眼睛接收螢?zāi)挥嵪⒅岜隳芸焖俚耐高^進(jìn)行對敵人之攻擊，以訓(xùn)練並提升使用者本身之互動及時反應(yīng)時間。反應(yīng)時間的定義是對於刺激或信號產(chǎn)生回應(yīng)動作時間的快慢。為了提高身心的反應(yīng)時間，必須透過一些反應(yīng)的練習(xí)才能有所提升。藉由多次反覆練習(xí)，提升身體的靈敏度與協(xié)調(diào)性再加上反應(yīng)時間之訓(xùn)練，可達(dá)到全方位身心協(xié)調(diào)之訓(xùn)練。

強(qiáng)度型反應(yīng)時間練習(xí)是一種全力快速完成每一種運(yùn)動之訓(xùn)練，是以強(qiáng)度為主要的練習(xí)方式，由於這種方式會在短時間之內(nèi)就完成，因而還不至於會造心血管呼吸系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，使用關(guān)鍵是當(dāng)身體接受信號之後身體動作速度的快慢節(jié)奏。然而，此種強(qiáng)度練習(xí)無法作長時間練習(xí)，必須要有充分的休息時間，否則易導(dǎo)致身體的勞累而造成反效果。

三、遊戲?qū)W習(xí)探討

本裝置希望能對使用者能以娛樂的方式進(jìn)行遊戲?qū)W習(xí)，目前以娛樂裝置開發(fā)為訴求之創(chuàng)作具備相當(dāng)大之市場需求，本裝置以娛樂玩家為首要目標(biāo)，而次要目標(biāo)則是在娛樂過程中也能達(dá)到練習(xí)身心協(xié)調(diào)的功效，以改進(jìn)普通遊戲中無法達(dá)到的學(xué)習(xí)成效。對於開發(fā)遊戲?qū)W習(xí)裝置而言，必須考慮到各個年齡層的思考風(fēng)格並提出解決問題之各種可行模式，也需考慮性別差異在這些問題解決模式當(dāng)中所造成的結(jié)果列入分析的範(fàn)圍內(nèi)，並且能從各個分析項(xiàng)目的共通點(diǎn)或相異點(diǎn)再繼續(xù)加以探討，以估算出系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

四、數(shù)位遊戲?qū)督逃挠绊?SPAN lang=EN-US>

隨著多媒體資訊化的普及，數(shù)位遊戲已經(jīng)不再只是單純的娛樂功能，其本身內(nèi)含將可更為廣泛地加以延伸，其中遊戲?qū)督逃?xùn)練的功能更是受到注目，已經(jīng)有許多相關(guān)研究證實(shí)了數(shù)位遊戲?qū)督逃恼嬉饬x [4]，該研究提到會造成數(shù)位遊戲被廣泛並且成功的運(yùn)用於教育用途上的主要原因有以下三點(diǎn)。

1. 近年來教育已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐允褂谜邽橹行牡姆绞健?SPAN lang=EN-US>

2. 數(shù)位遊戲?qū)兑恍┨囟ㄖ黝}有很好的教育成效。

3. 數(shù)位遊戲的強(qiáng)力吸引力將使受教者容易專注其中 [5]，而設(shè)計(jì)一套以數(shù)位教育學(xué)習(xí)為目的的遊戲必須注意的要點(diǎn)是如何將學(xué)習(xí)目的融入於遊戲互動過程之中 [6]。

五、人體反應(yīng)訓(xùn)練探討

    反應(yīng)速度是人體多項(xiàng)數(shù)值的綜合表現(xiàn)，所以其訓(xùn)練的方式也分為許多類型。本研究運(yùn)用的是反應(yīng)訓(xùn)練中的快慢交替方式?？炻惶娴囊饬x在於反覆快慢交替的動作來培養(yǎng)運(yùn)動記憶，因?yàn)榧∪饪梢钥刂迫梭w的速度和力量。藉由提升肌肉的耐力和控制不但可以增加反應(yīng)速度，還能夠使身體強(qiáng)健 [7]。

參、執(zhí)行步驟與技術(shù)

一、裝置介紹

本大型裝置如圖一所示製作上分為操控硬體設(shè)備及Arduion裝置設(shè)置，操控系統(tǒng)是利用藤球旋轉(zhuǎn)的方式來控制左右方向，藤球左右兩側(cè)加裝手把裝置是為了方便玩家操控。手把上所設(shè)置的按鈕是對應(yīng)遊戲中的普通攻擊；藤球下方安裝感熱裝置是對應(yīng)遊戲中的火焰魔法攻擊；裝置右側(cè)風(fēng)車上裝有微動開關(guān)，轉(zhuǎn)動風(fēng)車時微動開關(guān)便會因?yàn)樾D(zhuǎn)而連續(xù)進(jìn)行開關(guān)的動作，遊戲畫面中便會出現(xiàn)風(fēng)之魔法攻擊；裝置下方設(shè)有方箱，方箱中裝設(shè)腳踩裝置，腳踩裝置主要運(yùn)用無段開關(guān)加上彈簧支撐，使玩家踩完讓訊息送出後，踏板還能反彈回原位。本裝置利用花朵營造出花團(tuán)錦簇的效果，為的就是使玩家猶如徜徉在大自然中而與敵人對抗。

二、使用者流程

(一) 遊戲玩法&目的

玩家所扮演的巫師擁有許多不同的攻擊魔法，玩家利用裝置上所附的感應(yīng)器來達(dá)到施展魔法的效果，而玩家最終目標(biāo)就是利用各種強(qiáng)力魔法擊退來犯的魔界敵人，並且在一定時間內(nèi)守衛(wèi)住這個重要的堡壘。

玩家的遊戲流程圖如圖二所示，一開始玩家進(jìn)入遊戲之後出現(xiàn)的是開始畫面(如圖三所示)。按下裝置上任何按鍵就可以開始遊戲。

進(jìn)入遊戲之後玩家就如同一位法力高強(qiáng)的巫師並開始施放各種魔法抵擋來自前方的多線攻擊(如圖四、五、六所示)。遊戲中提供多種攻擊方式，包含：1.普通攻擊—利用藤球上手把的按鈕發(fā)射出石頭擊斃單怪的攻擊方式。2.火焰魔法攻擊—使用燃燒溫度感應(yīng)裝置使感應(yīng)器受熱後進(jìn)而發(fā)出範(fàn)圍性火焰作魔法攻擊3.風(fēng)之魔法攻擊—玩家將裝置上的風(fēng)車舉起使之旋轉(zhuǎn)，便能發(fā)出範(fàn)圍性的風(fēng)性魔法攻擊4.地震攻擊—此攻擊項(xiàng)目為全域型攻擊，當(dāng)玩家踩踏位於箱中的踏板後，畫面上即會出現(xiàn)全域型地震攻擊，此攻擊會使場上怪物全部被擊斃，但此攻擊也有一些限制。

除了普通攻擊之外其他的魔法在施放之後都設(shè)有冷卻時間(Cool Down,CD)，也就是必須等到一定時間過後才能夠再度使用同一魔法。而冷卻時間會直接顯示在代表該魔法的圖示上(如圖七所示)。不同的魔法有不同的冷卻時間，系統(tǒng)依照攻擊的強(qiáng)度來分類如下：火焰魔法CD20秒、風(fēng)之魔法CD20秒、地震攻擊CD40秒。遊戲畫面的左上角設(shè)置秒數(shù)倒數(shù)計(jì)時icon，當(dāng)玩家在時間之內(nèi)不被怪物攻破城牆就算是成功攻略本關(guān)卡，遊戲也隨之結(jié)束。

（二）遊戲製作流程

遊戲製作流程如圖八所示，第一步驟是企畫部分，將所需要的2D介面與3D物件交付美術(shù)人員處理，接著美術(shù)人員將圖片與物件交給程式人員設(shè)計(jì)與套用。實(shí)體裝置部分則是與程式設(shè)計(jì)同步進(jìn)行製作，最終再將實(shí)體裝置與程式部分做統(tǒng)合。

企劃部分我們事先討論如何將傳統(tǒng)搖桿轉(zhuǎn)換成大型互動介面輸入的方式 ，接著找出Arduino與電腦的結(jié)合方式，讓搖桿不再是只能握在手中套著按鍵操作的裝置，而將它擴(kuò)大成類似真實(shí)攻擊的裝置。最終討論出防塔攻擊的遊戲方式並將系統(tǒng)改製成大型互動機(jī)臺的類型，讓喜愛此類型的使用者可以更進(jìn)一步融入真實(shí)的戰(zhàn)鬥場景中。

    攻擊設(shè)計(jì)上我們採用自然元素，融合中世紀(jì)魔法的迷思，設(shè)計(jì)出普通攻擊（石頭）、火焰魔法、風(fēng)之魔法、地震傷害等。在2D美術(shù)與3D物件建置時也依照時間、背景、元素的設(shè)定加以融合設(shè)計(jì)。

三、程式設(shè)計(jì)

Virtools為愛迪斯公司(Axis 3D Technology, Inc. )所代理的3D/VR開發(fā)整合平臺，以圖形化的介面以及行為模組的堆疊結(jié)構(gòu)來建構(gòu)出3D的網(wǎng)站、遊戲或其他相關(guān)的應(yīng)用，我們使用Virtools為開發(fā)工具來製作一款防禦外敵侵入的體感互動遊戲，我們搭配了Arduino來作為外接裝置的I/O介面板並撰寫程式燒錄至該面板中，藉由這兩種不同裝置的結(jié)合讓我們在進(jìn)行遊戲的過程中能夠有身歷其境的感受，以達(dá)到更高的遊戲樂趣，以下將會一一介紹其相關(guān)的設(shè)計(jì)方法。

(一) Virtools 遊戲設(shè)計(jì)

為了完成一個遊戲，2D遊戲介面和3D模型設(shè)計(jì)都是必要的元素，我們使用Virtools作為整合我們建造的模型與平面美術(shù)之平臺，遊戲製作一開始的最主要步驟為場景的設(shè)計(jì)，場景中所有的3D物件是使用3DsMAX所建置，接著是怪物的生成以及攻擊的畫面特效，其中攻擊特效的圖片製作是搭配ParticleIllusion內(nèi)的連續(xù)圖片特效來製成，由於遊戲的操作是使用實(shí)體裝置，因此在程式撰寫的過程中也依照Arduino感應(yīng)裝置的特性來編寫不同攻擊方式所對應(yīng)之不同程式，並將每個攻擊方式個別撰寫以方便Virtools與Arduino能夠順利結(jié)合，圖九為Virtools程式撰寫的方式，主要是使用其內(nèi)建的BuildingBlocks以圖像方式來編排而成。

(二) Arduino連接流程

透過Simple I/O介面板與電腦的溝通，我們能夠?qū)⑼獠康挠搀w裝置與電腦內(nèi)的軟體資料作交流，整個遊戲流程中所有攻擊的方式都是透過Arduino板的運(yùn)算來進(jìn)行。我們在此處使用了兩個無段開關(guān)、一個微動開關(guān)、一個熱敏電阻與一個三軸感應(yīng)器來作為各種攻擊觸發(fā)的感應(yīng)裝置，其中兩個無段開關(guān)分別為普通攻擊與地震攻擊，微動開關(guān)為風(fēng)系攻擊，熱敏電阻為火焰攻擊而三軸感應(yīng)器則為玩家攻擊時作為準(zhǔn)心瞄準(zhǔn)的控制軸，當(dāng)使用者執(zhí)行啟動攻擊的條件之後，觸發(fā)相對應(yīng)之感應(yīng)裝置，經(jīng)由Arduino將資料傳入電腦中，再送至Virtools的程式內(nèi)，最後作攻擊的指令計(jì)算，讓玩家於遊戲中有如置身於真實(shí)場景中，更有施放魔法與攻擊敵人的真實(shí)感。

圖十為Arduion控制的流程圖，其中左上角紅色方框所選取的為網(wǎng)路上分享的BBs，主要用來作為Arduino與Virtools之間的溝通橋梁，而右下方黃色方框裡為遊戲中主要攻擊方式的行為模組。當(dāng)Arduino To Virtools這個BBs讀取到經(jīng)由Arduino介面板傳送的數(shù)值後，便會依據(jù)數(shù)值的不同而作不同的控制，進(jìn)而產(chǎn)生不同的攻擊方式與畫面呈現(xiàn)。

(三) 問題與解決方法

由於所使用的BBs皆是出於網(wǎng)路上的分享資源，因此有部分問題是我們無法輕鬆處理的，例如Arduino在I/O板上傳送資料到Vitools介面時會發(fā)生嚴(yán)重的畫面更新率降低導(dǎo)致遊戲執(zhí)行不順暢的問題，在此我們找到了一個解決的方式，只要將於遊戲中需要計(jì)算的公式，先經(jīng)由Arduino程式的計(jì)算並燒入於I/O板內(nèi)，如此只會傳送出一個單一數(shù)值給Virtools作處理，便可降低Virtools 處理許多BBs的時間，間接解決了執(zhí)行不順暢的問題。往後希望能夠在Virtools SDK這方面多加研究，期望將來能夠撰寫出一個更加完整且更容易使用的Building Blocks，以期能在虛擬實(shí)境方面的製作更為得心應(yīng)手且 執(zhí)行效能能夠更加完善。附錄為Arduino內(nèi)部的執(zhí)行程序，其中也包含了我們?nèi)绾谓鉀QArduino與Virtools之間延遲問題的方法。而在裝置部分上面要外觀則為考量的重點(diǎn)，由於Arduino所裝置的感應(yīng)器皆為有線裝置，再架設(shè)硬體裝置時所面臨的問題便是如何將所有的電線隱藏至內(nèi)部，而使外型美觀的裝置也能夠正常的執(zhí)行，我們希望往後對於硬體裝置的設(shè)計(jì)能夠更加的精美。

肆、裝置設(shè)計(jì)

一、軟、硬體需求

 本系統(tǒng)的軟、硬體系統(tǒng)需求如下所示：

(1)          硬體需求：市面上的一臺PC 與其相關(guān)週邊設(shè)備以及一張Arduino板。

(2)          軟體環(huán)境：任何可在PC上運(yùn)作的作業(yè)系統(tǒng)，如：Microsoft Windows、Linux或在Mac上運(yùn)作的Mac OS X。 (PS.有可能需要網(wǎng)路自動下載Virtools 3D Life Player。)

(3)          開發(fā)工具：Virtools 4.0、Autodesk 3ds Max 9、Adobe Photoshop CS3、Arduino IDE 開發(fā)環(huán)境。

二、裝置設(shè)計(jì)

本裝置整體外觀樣式類似一個小圓臺，使用者能輕易的操作該裝置。使用者就如同一個站在城牆上法力高強(qiáng)的法師，利用機(jī)臺上各種裝置輸入來施放各種魔法抵禦來自魔界的攻擊。使用者雙手握在本裝置頂端的手把上，手把連接著一個藤球，藤球可藉由手把旋轉(zhuǎn)不同的攻擊方向(如圖十二所示)。右手把上裝設(shè)了一個無斷開關(guān)(如圖十三所示)，主要是用來施放對敵人的普通攻擊(投石攻擊)。而施放魔法皆有其方向性，決定魔法施放方向的便是藏在藤球內(nèi)的三軸感應(yīng)器(如圖十四所示)。使用者握住手把朝欲施放的方向旋轉(zhuǎn)，裝置感測到旋轉(zhuǎn)的角度之後便會將螢?zāi)簧系拿闇?zhǔn)游標(biāo)移動到相對應(yīng)的位置上。

藤球右下方安裝了一個按壓式的點(diǎn)火裝置(如圖十五所示)，在點(diǎn)火裝置附近設(shè)置了一個溫度感測器。如果使用者使用點(diǎn)火裝置將感應(yīng)器提升到達(dá)設(shè)定溫度之後畫面隨即會出現(xiàn)火焰魔法的特效?；显O(shè)置了放置風(fēng)車的位置 (如圖十六所示)，而風(fēng)車桿上安裝了微動開關(guān) (如圖十七)。當(dāng)使用者揮舞風(fēng)車進(jìn)而使風(fēng)車轉(zhuǎn)動時便會觸動微動開關(guān)。當(dāng)程式偵測到轉(zhuǎn)速達(dá)到一定頻率之後畫面會出現(xiàn)相對應(yīng)的風(fēng)屬性魔法。

主體的木箱之中藏放了本裝置主要負(fù)責(zé)接受各感應(yīng)器訊號的Arduino板以及相關(guān)配置的電路 (如圖十八所示)，及用來施放地震魔法的踏板 (如圖十九所示)，當(dāng)玩家踩踏該踏板達(dá)到一定次數(shù)之後，畫面也就會出現(xiàn)全局攻擊的地震魔法。

伍、討論

    實(shí)際操作的臨場感所帶來相對的刺激應(yīng)該是這類型體感遊戲的最大優(yōu)點(diǎn)。透過請同學(xué)老師們來實(shí)際使用過後發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)需要使用到多個輸入裝置的遊戲有別於現(xiàn)有幾乎都是使用單一控制器來操作的遊戲。本裝置搭配的遊戲因?yàn)楸仨毻瑫r照顧到多個面向的事件。雖然一開始完會有點(diǎn)陷入手忙腳亂的窘境，不過當(dāng)慢慢上手之後，發(fā)現(xiàn)不但可以訓(xùn)練使用者的反應(yīng)速度，更可以提升整體的協(xié)調(diào)性。期望玩家在使用本裝置後，除了獲得玩遊戲的身心上的愉悅以及刺激之外還能夠在遊戲互動過程中獲得學(xué)習(xí)訓(xùn)練的效果。

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