简介

过去一年来，使用双核心处理器的新一代游戏硬体正达到高阶电脑系统的水准。在市场上相互较劲，吸引众人关注的三大游戏机系统所用的运算与绘图马力远多于许多电脑系统。对严格的游戏玩家来说，多重GPU(绘图处理单元)影像卡被看成值得花费的投资。在处理运算、绘图、声音，甚至游戏本身等这些所有的进展之中，有一项最大重大变化─即是非常直觉的动作型游戏控制的推出。这项改变是由新一代非常低功率以MEMS为基础的动作感测器来推动，过去这类感测器最初用在汽车产业，当作安全气囊碰撞感测器。以MEMS为基础的3D动作感测游戏控制器将不只是影响到该如何玩游戏，更重要的是， 将影响到该如何设计游戏。

本文将回顾目前游戏系统的能力，描述游戏元素如何达到或者阻碍直觉式游戏设计，以及现有控制硬体如何限制游戏的设计。用于下一代游戏系统的3D动作感测器的操作原理，动作感测如何降低入门与专业玩家的学习曲线，以及什么是需要熟悉的重要规格与开发原则等内容都将一一被介绍到。

限制直觉式游戏的设计元素

负责设计任天堂Wii中的加速计硬体的Akio Ikeda，在Wii发布网站中与Satoru Iwata访谈时表示，在进行电玩游戏时，最接近游戏者的东西就是控制器。因此控制器便应该被视为是游戏者延伸而非是游戏主机的一部份。 Akio常记在心的重点就是，游戏者接触控制器与UI（使用者介面）的机会远高于主机本身。

每部游戏情节都会假设游戏者在拿起卡片之前，掷骰子之前或敲下按钮之前，都已经有一些知识。但这显示出来的却是在许多游戏套件中的游戏”建议年龄”。例如，在电玩游戏Black-Jack(21点)中，对初学者做了以下的假设，或者需要游戏者学习以下技巧。

当游戏者开始想将21点当作赌博游戏，学到赌注与报酬，比较发牌者的值不只有21的值而已，如加倍（doubling down）的动作也可以让初学者成为专家。在21点游戏中的使用者，就算用不同的游戏格式互动，其范围从一副牌到电脑上的滑鼠，终究也无法改变游戏本身。 「打我（Hit-me）」的动作永远一样，且目标也永远是21。

虚拟游戏环境改变了游戏者与游戏互动的方式。控制器、UI互动一直限制使用者的体验。比方说，在基本的美式足球电玩游戏中，游戏者选择投球给三个虚拟游戏者其中一个的方式是使用键盘或游戏控制器。

《图一 按钮取代自然的空间关系》

标准控制器与介面破坏了直觉的自然空间关系。图 1显示，连续投球给游戏者与按钮X，Y和Z相关。在图1（b）中，游戏者用按钮Z，选择给右边的游戏者。在图1（c）中，方块不再有球， 游戏者Z已经收到投球。请注意，这比起在真正球场上玩游戏是非常不同的，在真正球场上你不用考虑按下任何Z按钮来传球给你的对友，你只要传到右边就可以了。从另一个角度来看，有个会玩许多运动的人，但未曾在虚拟环境中玩过，就必须学习做与Z按钮有关的动作。

除了需要将先前的真实生活经验转换到虚拟世界外，游戏玩家还必须学习特定的平台技巧才能玩。这阻碍了游戏初学者并限制了那些想要花时间学习游戏新技巧的市场爱好者。大多数人都能在21点牌桌坐下来，且第一次就会玩，但在电玩社群外却只有极少数人可以拿起游戏控制器，当作初学者，并且在社交情况下立刻上手玩，也不会感到紧张或是压倒对手。 21点游戏需要的技巧存在于许多其他自然的设定中，使游戏达到直觉式，简单学习而且有趣。

设计直觉式游戏:有史以来使用的动作

任天堂研发部总经理Satoru Okada 就曾表示，动作感测器提供一种直觉式，而且非常容易了解的方式来操作机器，它运用在我们的可携式游戏主机上的效果非常好。 ，相信每个年龄层也能享受玩「耀西的万有引力（Yosshie-no Banyu-Inryok）」的乐趣。

今天游戏界最大的新闻是动作感测在主流游戏机与游戏设计上的合作。任天堂的Wii与索尼的Playstation 3都具有MEMS动作感测器。然而，最大的冲击却是动作感测器现在同时正推动真实游戏的设计。任天堂使用了ADI 的ADXL330 3轴iMEMS感测器，提供「Wii-Mote」控制器3D动作感测的功能。但这并不是第一次MEMS动作感测器被设计在控制器设计中。

早在1998年，微软与罗技电子领先提出这个想法，应用在SideWinder Freestyle Pro与WingMan游戏摇杆上，它们都采用了ADI的ADXL202 2轴iMEMS感测器。 Freestyle Pro还在1998年电子娱乐展中赢得「最具潜力新周边」奖项。在当时发展时点上，很少游戏设计者搭配游戏设计具有动作感测功能。假如使用者想要用倾斜而非按压按钮来控制游戏时，则2轴倾斜感测功能可取代D键(方向键)。在增加玩游戏的体验上，倾斜可以做一些突破的事情。当你将控制器往后倾斜，你可以在骑车游戏中，在摩托车上出现单轮特技（wheelie）。将你的控制器倾斜往左往右， 星际大战 X-Wing Fighter就会在飞行模拟器中，随你的动作向左或向右俯冲。不论开车或飞行游戏，这些非常仰赖D键来做控制的体验，都因这类倾斜动作控制而受惠。这个概念从游戏设计端消退，从未见应用在主要的消费产品上。为实现动作控制器所增加的成本以及缺乏真正以动作为基础的体验，限制了市场对微软与罗技产品的吸引力。

任天堂是第一家共同设计出具有动作感测功能的硬体与游戏概念的厂商，并运用在「耀西的万有引力（Yosshie-no Banyu-Inryok）」和「滚滚卡比（Koro-Koro Kirby） (Kirby's Tilt 'N Tumble)」GAMEBOY的电玩光碟中。这些创新的游戏证明了直觉动作型游戏存在的市场。这二部皆含有ADXL202在游戏卡匣中，使用了倾斜来移动人物，这样的控制方式让许多年龄层和玩家程度的游戏者都可以了解。 「滚滚卡比」在可倾斜的桌子使用了弹珠游戏的原理，是一种许多小孩和大人都曾在真实生活中玩过的玩具。当将这样的体验转移到虚拟世界，任天堂被要求不必学新的技巧， 如同游戏者控制Kirby， 用实际的倾斜玩弹珠游戏。由于MEMS加速计耗费的功率很小，所以它可以做为在可携式应用中玩游戏全部程序的主控制器，而不会过度消耗电池。增加动作的成本也达到一个不会影响消费者价格的价格点。这些吸引了广大爱好者的游戏内容是直觉式的，简单学习的而且有趣的。在数量方面，这些游戏全球已经销售了数百万套。

设计直觉式游戏:发展以动作为基础的应用

Akio Ikeda表示，由于过去他曾在产品上使用过加速感测器，因此对这个技术的特性以及可能会有的限制有粗略的想法。从那样的经验，他了解到需要一个靠近电视参考的绝对点，以便改善控制器的可靠度。

在许多游戏中的第一步是为使用者产生主要的情节与概念。这包括UI设计者将要创造出的虚拟世界，符合每个游戏者的目标，以及游戏者有的互动媒介以及使用者介面。对直觉式设计最基础的方法是补捉某人在真实世界中的动作，将它带到虚拟世界中，这样创造力，不同的挑战与奇妙都会存在—但是游戏者却不需要学任何新的技巧才能玩。用一个动作感测器就能将实际动作转换成控制。使用感测器资料在游戏设计中有一些主要的做法类型，但是它们都由动作感测器，特别是加速计如何动作的基本原理开始。

最重要的是加速计量测加速度。任何包括动作中包含震动与冲撞的东西，都可以由加速计量测出，所以每个应用都有不同的加速计需求与限制。

动作游戏应用的类型

简单倾斜临界点(Simple Tilt Threshold)

Tilt ‘n Tumble Kirby 是使用倾斜临界点的最佳范例。使用倾斜等于是使用地心引力，如同在Z轴的1g参考加速度。当装置完全是平坦时，X和Y轴将受到0g重力

《图二 输出响应vs重力的倾向性》

＜注：摘自ADXL330技术手册＞

当游戏者将控制器倾斜，游戏设计者想要知道是否倾斜量已经超过一特殊的临界点。用来量测角度的方法是简单的反三角函数。角度θx 和 θy， X和Y 轴角度构成水平轴，受到以下公式所影响:

《图三 公式1》

像Tilt 'n Tumble最令人感兴趣的地方是，如果你想要模仿真的重力作用，你可能要转换角度，但方法不是用反三角函数，而是用真正的量测方法当作是弹珠运动物理模型的输入。

由于三角关系的缘故,要避免因过度仰赖Z轴角度量测,使角度偏离垂直线。角度θz, Z轴构成垂直轴由以下公式所影响:

《图四 公式2》

由于这个COS关系，ZOUT的变化非常小，造成θz。有大变化。这对加速器并非一项限制，但这在使用反三角函数是一项限制。谨此敬告，使用X和Y资讯结合Z资讯会更加准确。请注意，甚至Kirby只使用一颗XY加速计。微软的Sidewinder Freestyle Pro使用一颗XY感测器来量测倾斜，控制D键盘上上下左右动作的速率。如果你的应用只需要倾斜，你使用一颗2轴加速计就可真正节省成本。

手势认知:使用者产生的加速度

在E3展览会上Wii的发表会中，任天堂展示了Wii的网球运动游戏，用游戏者产生的动作远远超过重力加速度。做到这样的许多理由之一，是 ADXL330的每个轴中具有±3 g最小值的量测范围。假设游戏的概念包含高速动作，如高尔夫挥竿动作，你有可能也超过许多低g加速计的量测范围。为达到一个动作的加速感，要是手臂几乎挥过整个身体，则圆形运动是受到以下公式影响:

《图五 公式3》

假如最大加速度超过你的量测范围，在设计上你有一项选择。你可以选择一颗有更高最大范围但牺牲了解析度的加速计，或者利用过负载的情况—诸如在过载开始与结束时进行量测。这样需要非常线性的效能涵盖整个范围，包括接近饱合。

因为许多游戏者针对相同目的，却以不同方式产生直觉式的动作，因此由使​​用者产生动作是很困难的。在发展示范与游戏过程中，我们发现针对这个应用需要大量的测试与最佳化调整。录制大量的动作，产生动作匹配演算法和在可测试模型中的临界值都已经被证明是最具生产力的做法。

定位量测:加速度整合

许多人都想了解如和用加速计来测出位置的。他们渴望知道的技术其实是将一段长时间段的加速度做积分。由初等微积分，可得知X 与d2X/dt2关系式，一般常听到的X轴加速度公式：

《图六 公式4》

三轴加速计分别只量测d2X/dt2、 d2Y/dt2以及 d2Z/dt2项。因为在系统设计中很可能会有高精确度的时脉及振荡器可用，因此整合似乎是合理的。麻烦的是t2项。当时间越拉越长，任何在d2X/dt2项的量测误差也会随着时间的二次方速度成长。几乎所有消费性电子等级的加速计并没有涵盖小时甚至分钟定位的整合性能。这些元件的成本，尺寸和设计并不适用于消费性市场。甚至于一颗抗杂讯无误差的加速计也有可能因整合长时段的时间而出现问题。人手持的控制器有可能掉到地上导致数千个g碰撞，截割加速计的输出。

使用一种与加速计相关连的定位参考器，任天堂已经解决了Wii当中的这个问题。藉由将相关的定位传?参考器，任天堂限制了整合长度，并适度的减少误差产生。

研发以直觉式动作为基础的游戏:选择感测器

Lev Grossman在2006年5月15日的时代杂志上所撰写的《A Game For All Ages》文中，所回覆给读者的回应指出，当人们抱怨旧式控制器的使用者介面是多么地不亲和性，他深感到同情;他记得当他第一次玩Marathon时，试着控制滑鼠到键盘的介面，然后是为了Halo设定那两个摇杆，那真是个重大的挑战。相形之下，Wii控制器就像拍快照一样快。任天堂真的已经移除了非游戏者主要的障碍。几乎一点也没有学习曲线。

以上的描述是关于如何取得加速度资料并将其转换到游戏控制中。许多加速计的问题在于它们时常不只是量测加速度而已。本文末段还会提到一些对游戏所需效能特性的观念，对于感测器供应商的选择，以及如何测试这些参数。

线性度

这个世界是线性的，动作是线性的，所以加速计应该也是线性的。线性行为通过全部范围是很基本的，因为世界是个线性的地方且人类期待对直觉式游戏可预测的反应。假如很快地摆动手臂二次，则这个动作仅比萤幕上快1。5倍， 使用者必须学习非线性动作当作一项专业的技巧。会突然以非线性从一个角度跳跃到另一个角度的倾斜游戏，就会出现突兀与非预期的没有相关性的使用者动作。

通过+/-1 g范围的线性测试是相当简单的。用一个旋转的脚座，就可以旋转每个轴，通过并抵抗重力，在每个量测点量测出角度与输出加速度。 1g之外或超出1g，摇动器与速度表变需要。加速计供应商应该可以提供你线性度的统计数据来验证任何技术手册的值。另外，更复杂但可能更快速的做法是用交流动作测试与量测整体谐波失真以达直接与线性度的直接关系。

功率消耗

大部份MEMS动作感测器是用在低电压无线装置上。降低加速计内的功率消耗可释放更多的功率预算，达到更加强固的通讯，也使设计的其他部件内的元件更加便宜，电池的寿命也因此更长。低功率消耗元件如ADXL330，在VS = 2。0 V一般使用200 μA，没有任何功率循环，能开发出可长时间游戏的无线控制器，这类控制器可以让想要用动作来玩的游戏者在自然且直觉式状态下无拘无束移动。具有快速开机次数的加速计允许你循环上电使用，却节省更多的功率，以希望游戏的人动作的速率开机及取样。对平顺动作的游戏，100Hz取样率是建议的基准值，达到50Hz频宽。

温度效能

在最常被握在某人手中，动作灵敏的装置，温度效能是关键的考量点，因为它玩的时间愈长，会愈热。优异的温度行为也很重要，因为在任何环境下，要有预期的效能，包括户外或室内游戏。甚至于游戏机有时也被用在低温下配有影音系统的汽车内。

《图七 ADXL330 X-轴零g偏压》

＜注：摘自ADXL330技术手册＞

影响玩游戏时温度效能最大者是在于线性状态下，0g偏压如何通过温度范围，以及灵敏度的温度系数。这是0-g输出电压，或者本质上是该装置的直流偏置，它接着被加上使用者的动作信号。许多加速计供应商出版0-g偏压的「盒装规格」，声明其输出范围可随意地行进。有些加速计使用与温度感测器相关连的数位温度补偿。当这些技术可在范围内保持偏移，当扫掠过温度范围时，时常在输出会有位阶不连续的问题。有时，这些可以是位于25毫g位阶上，这等同是在倾斜应用中，超过1度的一个误差。测试此一效能就像在温度范围内拂掠加速器并监控其输出一样的基本。这是个被高度建议的测试，可以发现许多意外的资讯。

强固性与自我测试

碰撞，掉落控制器，或什至有的震动会造成数以千计g重力输入到加速计中。一颗强固的机械式感测器设计是必须的。像是ADXL330这类产品是专为相同机械架构所设计，用于严苛的汽车环境中做为像是车辆稳定性控制功能。假如有些地方不正常，好的MEMS感测器应该要有全机械与电子式自我测试特性，在游戏者拿起控制器之前协助诊断问题。

展望

本文探究了标准游戏控制器对游戏直觉造成限制，以及玩家需学习特殊操控技巧的例子，并讨论了游戏中动作的历史，以及这些早期成果开始将真实世界的经验转换成虚拟世界游戏。在直觉式游戏中最新的新闻，这些游戏中动作正在促成新一代设计的实现。在结合动作到未来技术的设计上，本文也说明其基础与建议，让游戏更具直觉性与趣味性，文中也说明会直接影响游戏效能，价格与可靠性的特殊参数，并提供给验证测试这些参数的方法。

操作原理

任天堂、微软、索尼(Sony)或其他公司所用的动作感测器主要的类型都是三轴微机械加速计。加速计用以量测在一质量或物体上随加速而变化的各种东西，从压阻元件到差动电容。在任天堂Wii主控制器中的感测器─ADXL330，是一个具有完整3轴加速量测系统的单晶片IC。该元件可量测出在三轴内的差动电容。它包含一个多晶矽表面微机械感测器与信号调节电路，用以实现开放回路的加速量测架构。感测器是一种植基于矽晶圆顶部的一种多晶矽表面微机械结构。多晶矽弹簧从晶圆表面上方悬吊起该结构，提供抗加速力的阻力。使用一颗包含独立固定片以及附加到移动质量片的差动电容来量测结构的偏移。输出信号为类比电压，与加速度成等比例。

（作者为美商亚德诺公司微机械产品部应用及产品需求工程师）