【成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)】體感技術(shù)在移動(dòng)平臺(tái)上的應(yīng)用

標(biāo)簽：成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)

2006年，Nintendo發(fā)表了新時(shí)代游戲主機(jī)Wii，掀起了體感游戲的序幕。“體感技術(shù)”的基本概念，在于人們可以很直接地使用肢體動(dòng)作，與周邊的裝置或環(huán)境互動(dòng)，而無需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓人們身歷其境地與內(nèi)容做互動(dòng)。舉個(gè)例子，當(dāng)你站在一臺(tái)電視前方，假使有某個(gè)體感設(shè)備可以偵測你手部的動(dòng)作，此時(shí)若是我們將手部分別向上、向下、向左及向右揮，用來控制電視臺(tái)的快轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)、暫停以及終止等功能，便是一種很直接地以體感操控周邊裝置的例子，或是將此四個(gè)動(dòng)作直接對(duì)應(yīng)于游戲角色的反應(yīng)，便可讓人們得到身臨其境的游戲體驗(yàn)。其他關(guān)于體感技術(shù)的應(yīng)用還包括：3D 虛擬現(xiàn)實(shí)、空間鼠標(biāo)、游戲手柄、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、健康醫(yī)療照護(hù)等，在未來都有很大的市場。

體感技術(shù)原理及技術(shù)演進(jìn)

如圖1所示，圖片中的玩家手持游戲手柄進(jìn)行“網(wǎng)球體感游戲”，玩家的手部擊球動(dòng)作可完全用來模擬并控制游戲里游戲角色的球路，而玩家手部的動(dòng)作與游戲角色球路的對(duì)應(yīng)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？原理在于玩家手上的手柄能獲取玩家手部的各種物理參數(shù)，例如：加速度、角速度、位移……等等，然后再進(jìn)一步通過算法，將這些物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為人體在空間中的三個(gè)位移量，以及三個(gè)旋轉(zhuǎn)量，如此一來便可將手部在空間中的各種動(dòng)作（平移 + 旋轉(zhuǎn)）完全描述出來，接著再將此平移及旋轉(zhuǎn)量傳輸給游戲角色，游戲角色便可與玩家做出相同的動(dòng)作對(duì)應(yīng)。因此所謂的“體感游戲”，便是通過各種傳感器捕捉人體的肢體動(dòng)作（平移 + 旋轉(zhuǎn)），并將所計(jì)算出的肢體動(dòng)作對(duì)應(yīng)于游戲上角色的反應(yīng)，使玩家的動(dòng)作與游戲中角色的反應(yīng)呈現(xiàn)1:1擬真的對(duì)應(yīng)。

圖2說明了近年來全世界在體感技術(shù)上的演進(jìn)，依照體感方式與原理的不同，主要可分為三大類：慣性感測、光學(xué)感測以及慣性及光學(xué)聯(lián)合感測。

慣性感測：主要是以慣性傳感器為主，例如用重力傳感器，陀螺儀以及磁傳感器等來感測使用者肢體動(dòng)作的物理參數(shù)，分別為加速度、角速度以及磁場，再根據(jù)此些物理參數(shù)來求得使用者在空間中的各種動(dòng)作。主要代表廠商為Logitech在2007年推出空間鼠標(biāo)（MxAir），使用三軸重力傳感器以及兩軸陀螺儀，可感測使用者在空間中的手部動(dòng)作，并將此動(dòng)作轉(zhuǎn)化為鼠標(biāo)在屏幕上垂直方向與水平方向的位移。

2009年，蘋果智能型手機(jī)開始拉開了手機(jī)體感游戲熱門下載的序幕，許多使用慣性傳感器來適配的體感游戲不斷地孕育而生。其中，iPhone使用了以三軸重力感測以及三軸磁傳感器為主的慣性感測。2010年，基于未來手機(jī)上即將陸續(xù)推出擁有重力傳感器、磁傳感器和陀螺儀的智能型手機(jī)，CyWee發(fā)展了面向這三種傳感器的特有算法，稱為九軸混合感測算法（9 - axis Sensor Fusion Technology）。所謂的九軸，指的便是可量測空間中三軸向之重力傳感器、可量測三軸向之磁傳感器，以及可量測三軸向之陀螺儀，此算法可克服傳統(tǒng)上僅使用個(gè)別單一傳感器的缺點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)成更精確的空間中動(dòng)作捕捉原理體感體驗(yàn)。

光學(xué)感測： 主要代表廠商為 S o n y 及Microsoft。早在 2005年以前，Sony 便推出了光學(xué)感應(yīng)套件——EyeToy，主要是通過光學(xué)傳感器獲取人體影像，再將此人體影像的肢體動(dòng)作與游戲中的內(nèi)容互動(dòng)，主要是以2D平面為主，而內(nèi)容也多屬較為簡易類型的互動(dòng)游戲。

直到 2010年，Microsoft發(fā)表了跨世代的全新體感感應(yīng)套件——Kinect，號(hào)稱無需使用任何體感手柄，便可達(dá)到體感的效果，而比起 EyeToy更為進(jìn)步的是，Kinect 同時(shí)使用激光及攝像頭（RGB）來獲取人體影像信息，可捕捉人體3D全身影像，具有比起EyeToy更為進(jìn)步的深度信息，而且不受任何燈光環(huán)境限制。

慣性及光學(xué)聯(lián)合感測：主要代表廠商為Nintendo及 Sony。2006年所推出的 Wii，主要是在手柄上放置一個(gè)重力傳感器，用來偵測手部三軸向的加速度，以及一紅外線傳感器，用來感應(yīng)在電視屏幕前方的紅外線發(fā)射器訊號(hào)，主要可用來偵測手部在垂直及水平方向的位移，來操控一空間鼠標(biāo)。這樣的配置往往只能偵測一些較為簡單的動(dòng)作，因此Nintendo在2009年推出了Wii手柄的加強(qiáng)版——Wii Motion Plus，主要為在原有的Wii手柄上再插入一個(gè)三軸陀螺儀，如此一來便可更精確地偵測人體手腕旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，強(qiáng)化了在體感方面的體驗(yàn)。至于在2005年推出EyeToy的Sony，也不甘示弱地在2010年推出游戲手柄Move，主要配置包含一個(gè)手柄及一個(gè)攝像頭，手柄包含重力傳感器、陀螺儀以及磁傳感器，攝像頭用于捕捉人體影像，結(jié)合這兩種傳感器，便可偵測人體手部在空間中的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。

體感技術(shù)于移動(dòng)裝置端最新應(yīng)用——九軸體感技術(shù) + 無線多媒體串流技術(shù)

體感技術(shù)應(yīng)用移動(dòng)裝置上時(shí)，往往受限于手機(jī)屏幕天生便嵌入手機(jī)的特性，因此僅能以較簡單的體感方式來操作所有的體感游戲。

例如在圖3的賽車游戲中，原本使用按鍵來控制賽車游戲的轉(zhuǎn)向，現(xiàn)在便可透過傾斜手機(jī)的方式，來以體感方式真實(shí)模擬賽車游戲中的轉(zhuǎn)向。然而，在圖4中的高爾夫球游戲，若你同樣想要以體感的方式揮動(dòng)手臂來模擬游戲中人物的揮桿，便會(huì)發(fā)覺無法實(shí)現(xiàn)此操作，原因在于：當(dāng)你揮動(dòng)手臂時(shí)，手機(jī)的畫面也隨著手臂揮擊出，此時(shí)便無法觀察游戲的進(jìn)行，因此這類型的游戲十分不適合體感操作。

而如圖5所示，若能將手機(jī)視頻以無線、實(shí)時(shí)的方式傳輸至一固定屏幕（TV）上，此時(shí)玩家眼睛所及的游戲畫面并不會(huì)因手機(jī)的揮動(dòng)而影響體感游戲的進(jìn)行，因此便可在手機(jī)上體驗(yàn)類似高爾夫球的體感游戲了。這是一個(gè)在移動(dòng)設(shè)備上的創(chuàng)新應(yīng)用，大大擴(kuò)增體感游戲廠商開發(fā)體感游戲上的自由度，而無需局限于僅以較簡單體感方式傾斜或轉(zhuǎn)動(dòng)手機(jī)來進(jìn)行體感游戲的開發(fā)。

最適用于移動(dòng)設(shè)備上之體感技術(shù)（1）——九軸慣性感測（9-axis Sensor Fusion）

對(duì)于一般移動(dòng)設(shè)備來說， 例如手機(jī)及Table，皆為可攜式組件，因此需有固定于屏幕前方的光學(xué)感應(yīng)棒的體感技術(shù)將受限。由于慣性體感感測無需任何感應(yīng)棒置于玩家前方，因此以慣性感測方式應(yīng)用于手機(jī)體感游戲?qū)⑹堑慕鉀Q方案。而慣性感測中九軸混合感測算法（9-axis Sensor Fusion），將提供真正1:1動(dòng)作對(duì)應(yīng)，實(shí)時(shí)以及 360°自由動(dòng)作檢測的體現(xiàn)。

使用九軸混合感測算法的原因在于，各個(gè)單一的慣性傳感器都有各自的缺點(diǎn)，因此勢必得使用混合感測的方式，通過彼此補(bǔ)償來加以改善各自的缺點(diǎn)。如圖6所示，如果僅僅只使用重力傳感器，將會(huì)產(chǎn)生延遲反應(yīng)、強(qiáng)烈誤動(dòng)作以及奇異點(diǎn)等問題，這是因?yàn)橹亓鞲衅鲿?huì)同時(shí)量測到重力變化以及人體加速度變化，因此若無法將此兩個(gè)感測值加以分離，便會(huì)造成上述問題。而若是以重力傳感器加上磁傳感器，

除了延遲反應(yīng)之外（磁傳感器反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于重力傳感器），磁傳感器也易受外界磁場的干擾，而造成感測錯(cuò)誤的問題。而若是以重力傳感器加上陀螺儀的組合，則會(huì)產(chǎn)生累積誤差，而且陀螺儀易受溫度影響而產(chǎn)生的感測值飄移（drifting）等問題。因此，最好的組合方案便是將三種傳感器結(jié)合起來進(jìn)行混合感測及補(bǔ)償，便可達(dá)到最精確、最實(shí)時(shí)、絕對(duì)位置及不受磁場干擾等的體感體驗(yàn)。

圖7中描述了CyWee九軸混合算法的各種輸出，其中的校正后的Sensor原始數(shù)據(jù)，CyWee提供了動(dòng)態(tài)及靜態(tài)校正，可讓使用者在使用中不會(huì)遇到感測數(shù)據(jù)不精確的問題，同時(shí)，也可使得工廠制造端無需額外進(jìn)行傳感器校正程序。以及Orientation、旋轉(zhuǎn)矩陣、四元素、 重力變化以及線性加速度輸出，也都提供了體感游戲開發(fā)商直接調(diào)用。例如OpenGL定義的3D物體旋轉(zhuǎn)及平移的API，節(jié)省了游戲開發(fā)商對(duì)于體感演算開發(fā)的時(shí)間，這些輸出已經(jīng)被定義于Google Android 2.3之后版本的API中。

此外，CyWee也提供了各種動(dòng)作判斷輸出，可供體感游戲開發(fā)商直接調(diào)用。圖8描述了CyWee為開發(fā)商提供體感游戲中各種體感動(dòng)作算法的輸出結(jié)果，稱為動(dòng)作數(shù)據(jù)庫（Motion Library），可大大地節(jié)省體感游戲開發(fā)商開發(fā)體感游戲的時(shí)間及成本，根據(jù)不同的動(dòng)作類型，可適用于不同類型的體感輸出，例如射擊類動(dòng)作輸出、射箭類動(dòng)作輸出、擊打類動(dòng)作輸出等。

最適用于移動(dòng)設(shè)備上之體感技術(shù)（2）——無線多媒體串流技術(shù)（Wireless HDMI）

圖9描述了世界上各個(gè)廠商對(duì)于無線多媒體串流技術(shù)的規(guī)格比較，可根據(jù)操作頻段、影像壓縮方式、功耗、傳輸帶寬、支持大分辨率、延時(shí)時(shí)間以及傳輸距離等因素來進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備上時(shí)，功耗及傳輸所需帶寬為大的問題。

功耗方面由于移動(dòng)設(shè)備為一使用電池的裝置，因此，在能夠讓使用者使用無線多媒體串流超過數(shù)個(gè)小時(shí)（例如：玩游戲、看影音視頻）而不會(huì)耗盡電池的各種方案中，可發(fā)現(xiàn)CyWee的解決將是的解決方案。而在所需傳輸帶寬方面，由于手機(jī)使用的是1（Transceiver）X 1（Receiver）天線，因此所能支持之大傳輸帶寬有限，所以在超過 1 X 1天線所能提供帶寬的解決方案，都將是無法適用的。

最新動(dòng)態(tài)與未來展望

CyWee已擁有多年的發(fā)展體感技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，除了原本在體感游戲及體感手柄銷售上有長足的進(jìn)展外，在移動(dòng)領(lǐng)域上更是為之前JIL（Joint Innovation Laboratory）Project所指定的體感方案供貨商。目前更進(jìn)一步的授權(quán)許多國際大廠使用CyWee體感算法，并于Android2.3版本上加以整合，以適配Android 2.3 版本之后關(guān)于體感方面API的定義。

而在無線多媒體串流的領(lǐng)域，由中國移動(dòng)所主導(dǎo)的WiMo（Wireless Mobile MultimediaTransmission Protocol）移動(dòng)終端無線多媒體傳送技術(shù)，為支持高清音視頻無線傳輸?shù)募夹g(shù)協(xié)議，該技術(shù)支持移動(dòng)終端與大屏幕設(shè)備之間無線、實(shí)時(shí)、高畫質(zhì)視頻信息傳輸，可實(shí)現(xiàn)以行動(dòng)終端為核心的多屏共享互動(dòng)。

展望未來，九軸體感技術(shù)結(jié)合無線多媒體串流技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備上的發(fā)展?jié)摿κ侵档闷诖?，而無線多媒體串流技術(shù)除了會(huì)更進(jìn)一步提升芯片的性能外，也會(huì)將其整合于更多需要高傳輸率、低延時(shí)視頻壓縮的平臺(tái)中（例如: 網(wǎng)絡(luò)視頻播放、云端游戲等），相信最終必定能夠在各種移動(dòng)的平臺(tái)上，創(chuàng)造出許多屬于未來的應(yīng)用。

本文作者：呂英閣，2003年獲臺(tái)灣大學(xué)機(jī)械系碩士學(xué)位。大學(xué)畢業(yè)后，進(jìn)入臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院微系統(tǒng)中心，從事體感技術(shù)研究。2009 年加入速位互動(dòng)股份有限公司（CyWee Group Limited）， 繼續(xù)從事體感技術(shù)的研究，作為核心研發(fā)成員，完成了9軸體感技術(shù)的核心算法。

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