基于體感的突圍賽游戲設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

徐 峰, 李黨偉, 鄧心歡, 馮英萍, 劉忠玲

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

體感游戲突破了以往單純以手柄按鍵輸入的操作方式, 是一種通過(guò)肢體動(dòng)作變化進(jìn)行操作的新型電子游戲。國(guó)外代表平臺(tái)有Wii、 Iphone、 PlayStation Move和Xbox360, 國(guó)內(nèi)代表平臺(tái)有愛(ài)動(dòng)推出的愛(ài)動(dòng)體感運(yùn)動(dòng)機(jī)(17Vee)和康佳8000D系列云智能電視平臺(tái)等[1]。上述平臺(tái)主要通過(guò)xyz三維動(dòng)作識(shí)別器, 采用光學(xué)式雙目立體識(shí)別、 跟蹤技術(shù), 對(duì)人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行識(shí)別, 將用戶的運(yùn)動(dòng)行為實(shí)時(shí)反應(yīng)在電子顯示屏幕上。最新的文獻(xiàn)研究表明, 體感游戲?qū)μ岣呃夏耆说纳罱】灯焚|(zhì)和改善部分人群的軀體功能性障礙有很大幫助, 具有廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景[2-5]。與前面提到的平臺(tái)相比, 筆者所提出體感游戲, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 成本低廉, 且具有很強(qiáng)的趣味性, 更容易被大眾所接受。

1 游戲規(guī)則

顯示屏上端有24個(gè)磚塊, 共有4行, 每行6塊, 各行有不同的顏色(見(jiàn)圖1)。在顯示屏的底端, 有個(gè)長(zhǎng)約兩個(gè)磚塊的木板, 用戶的手可以在CMOS(Complementory Metal Oxide Semiconductor)攝像頭下控制該木板移動(dòng), 如玩家的手左移, 顯示屏上的木板就向左移動(dòng)。顯示屏上還有一個(gè)紅球, 紅球碰到顯示屏兩邊、 上方或木板時(shí), 會(huì)發(fā)生彈性碰撞, 碰撞則產(chǎn)生反彈。當(dāng)紅球碰到各個(gè)磚塊時(shí), 方塊漸漸褪色(當(dāng)碰撞次數(shù)達(dá)到7次時(shí), 方塊完全褪色, 不再阻擋紅球的運(yùn)動(dòng), 即不與紅球發(fā)生碰撞, 消失掉)。玩家的手上移時(shí), 紅球的運(yùn)動(dòng)會(huì)加速, 反之, 玩家的手向下移時(shí), 紅球運(yùn)動(dòng)減速。如果紅球碰到屏幕下端, 游戲結(jié)束。

圖1 游戲磚塊示意圖

2 游戲設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

CMOS傳感器采用OV9650, 用于攝取手部移動(dòng)圖像。FPGA (Field Programmable Gate Array)讀入數(shù)據(jù)后, 膚色檢測(cè)模塊通過(guò)膚色匹配識(shí)別手部的中心位置, 再將該位置坐標(biāo)送到控制部分。由VGA控制模塊控制滑塊位置, 進(jìn)而控制小球位置變化, 與磚塊碰撞后引起其顏色變化。小球與磚塊碰撞的同時(shí), 通過(guò)聲音編碼控制聲音輸出[6-8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 FPGA設(shè)計(jì)

圖3 FPGA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

FPGA模塊采用Altera公司的EP1C6Q240C8芯片, 游戲的核心控制流程如圖3所示。FPGA主要包括控制模塊、 膚色檢測(cè)模塊、 小球控制模塊、 RGB模塊、 聲音模塊、 VGA模塊、 磚塊匹配與顏色選擇模塊?？刂颇K用于完成整個(gè)游戲的控制, 接收膚色中心位置, 接收小球的中心位置, 控制小球的運(yùn)動(dòng)模式(左上, 右上, 左下, 右下), 輸出實(shí)時(shí)的聲音控制信息(是否發(fā)聲)。膚色識(shí)別模塊用于識(shí)別膚色并輸出手的中心位置。小球位置模塊用于完成小球位置生成功能, 并將球中心位置送至RGB進(jìn)行顯示器顏色合成。RGB模塊用于接收膚色中心坐標(biāo)、 小球中心坐標(biāo)和顏色模塊發(fā)送的顏色信息, 進(jìn)而將實(shí)時(shí)行掃描的顏色信息送至VGA模塊。聲音模塊用于完成聲音編碼和波形輸出, 進(jìn)而完成相應(yīng)的聲音合成。磚塊匹配和顏色選擇模塊用于接收顯示器掃描的坐標(biāo), 進(jìn)而用于選擇磚塊顏色, 并將顏色信息送到RGB模塊, 供RGB模塊選擇顏色。VGA控制模塊用于顯示器掃描控制。

2.3 小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)

小球有6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)如圖4所示。狀態(tài)0是開機(jī)復(fù)位狀態(tài), 停留在木板中心不動(dòng)； 狀態(tài)1是向左上方運(yùn)動(dòng)； 狀態(tài)2是向右上方運(yùn)動(dòng)； 狀態(tài)3是向右下方運(yùn)動(dòng)； 狀態(tài)4是向左下方運(yùn)動(dòng)；狀態(tài)5是游戲結(jié)束。

圖4 小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)機(jī)

2.4 膚色檢測(cè)

MCU采用STC89C52, 通過(guò)I2C總線協(xié)議完成對(duì)CMOS傳感器的配置, 使其工作在VGA模式, RAWRGB格式輸出。COMS傳感器輸出行同步、 場(chǎng)同步、 像素時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)。FPGA通過(guò)這些信號(hào)獲取圖像, 并通過(guò)RAW2RGB模塊將Bayer矩陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像, 經(jīng)膚色檢測(cè)算法判斷手的中心坐標(biāo), 進(jìn)而控制游戲的運(yùn)行[9-11]。膚色檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 膚色檢測(cè)流程圖

2.5 膚色識(shí)別范圍

樣本選取4個(gè)人的右手(樣本是上午11點(diǎn)拍攝的圖像), 如圖6所示, 膚色判斷基本可覆蓋中國(guó)人的膚色范圍。

圖6 樣本膚色圖

將每個(gè)圖像的數(shù)值代入下式

(1)

(2)

進(jìn)行均值和方差計(jì)算。得到R、G、B的均值分別為93、54、35, 標(biāo)準(zhǔn)差為29、26、24, 在識(shí)別過(guò)程中, 閾值選取范圍采用如下公式

(3)

(4)

(5)

圖7 Matlab仿真膚色圖

計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算得到的RGB均值畫出Matlab圖像[12-15], 如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試環(huán)境： 12月13日上午, 學(xué)院第1教學(xué)樓422房間(朝南、 室內(nèi)光線柔和), 攝像頭的背景為白色頂棚, 測(cè)試人選擇非樣本人群。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果： 使用Matlab仿真得到的閾值進(jìn)行膚色判決, 進(jìn)而進(jìn)行游戲控制, 運(yùn)行結(jié)果不穩(wěn)定, 滑板會(huì)左右跳動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際反復(fù)測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)R的均值偏高, 當(dāng)把R均值降至62時(shí), 游戲操作流暢, 無(wú)Bug產(chǎn)生, 達(dá)到設(shè)計(jì)要求, 游戲場(chǎng)景如圖8所示。

a 小球向右下方運(yùn)動(dòng) b 小球反彈向右上方運(yùn)動(dòng) c 小球反彈向右下方運(yùn)動(dòng)

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者在FPGA開發(fā)板上設(shè)計(jì)了一款新的體感游戲。OV9650攝像頭采用51單片機(jī)配置后, 獲取的人體手部圖像數(shù)據(jù)傳送到FPGA模塊。通過(guò)對(duì)膚色樣本的Matlab仿真分析, 確定膚色的范圍, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人手識(shí)別。移動(dòng)空中的手可以控制滑板進(jìn)行游戲操作。實(shí)驗(yàn)研究表明, 在一定的環(huán)境條件下, 游戲運(yùn)行順暢。同時(shí), 膚色識(shí)別過(guò)程易受到環(huán)境因素影響, 例如光線強(qiáng)度、 攝像頭背景顏色等。

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