视频游戏系统包括平台、显示器、称为控制器的一个或多个I/O接口和软件。平台可以是计算机或专用控制台;显示器可能与平台一起安装，通常是视听的;用于玩游戏的控制器包括鼠标和键盘、面板按钮、滚轮的、操纵杆、双手“游戏手柄”和模拟游戏中物理动作的自由移动无线设备。

最近几个月，采用双核处理器的高端计算机系统的新一代复杂游戏硬件已经推出。此外，目前正在争夺市场注意力的三款新主机系统比许多计算机拥有更强大的计算和图形处理能力。对于严肃的游戏玩家来说，多gpu(图形处理单元)视频卡被认为是值得投资的。在处理、图像、声音甚至游戏本身的所有进步中，最重大的变化是引入了直观的、基于动作的游戏控制。这种变化是由使用微机电系统(MEMS)的新一代极低功耗运动传感器推动的，与汽车工业中首次用于安全气囊碰撞传感的加速度计技术相同。基于mems的3D体感游戏控制器不仅影响着游戏的玩法，更重要的是，它们强烈地影响着游戏的设计方式。

本文回顾了当前游戏系统的功能，描述了游戏元素如何支持或阻止直观的游戏设计，以及现有的控制硬件如何限制游戏设计。还讨论了下一代游戏系统中使用的3D运动传感器的操作原理，运动传感如何减少初学者和资深玩家的学习曲线，以及游戏开发者需要熟悉的重要规格和开发原则。

限制直觉游戏的设计元素

“当然，在玩游戏时，离玩家最近的东西就是控制器。因此，控制器应该被视为玩家的延伸，而不是主机的一部分。我一直牢记着这样一个事实的重要性，即比起主机本身，玩家将更多地接触控制器和UI(用户界面)。”

——池田昭夫，任天堂Wii 加速计硬件负责人，在2006年夏天Wiilaunch网站上接受岩田聪采访时说。

每一款游戏的情节都假设玩家之前对拿起纸牌、掷骰子或按下按钮的效果(也许是策略和战术)有所了解。通常情况下，游戏包装上的“推荐年龄”会向购买者提出这个建议。例如，游戏21点(或“21”)假设新手玩家拥有或能够轻松获得以下知识:

如何添加

比较的概念，例如“小于”、“等于”和“大于”

熟悉卡片及其数值;特别是ace牌，它没有数字标签，在游戏中有两个值可供选择。

一旦玩家开始将21点视为一种游戏，学习风险和回报，与庄家的“手牌”进行比较——无论是21还是其他值，以及双倍下注等策略，他们就会从初学者成长为专家。在21点游戏中，不同的用户交互格式不会改变游戏本身，无论是使用一副实体纸牌还是鼠标在电脑上的位置。“打我!”都是一样的，而目标永远是21。

虚拟游戏环境可以极大地改变玩家与游戏的互动方式，特别是在涉及速度和维度运动的情况下。控制器和用户界面(UI)之间交互的本质在历史上对用户体验施加了不自然的约束。例如，考虑一下基本的美式足球视频游戏中的传球，其中玩家选择使用键盘或游戏控制器将球扔给三个虚拟玩家中的一个(图1)。

标准控制器和接口很难取代直观的自然空间关系。图1显示了将球((a)中的绿色区域)扔给三个玩家中的一个的过程，并与按钮X、Y和Z相关联。在(b)中，投掷者使用Z键选择将球传给右侧的玩家。在图(c)中，投掷者所在的方格不再有球，玩家Z(现在是绿色)接到了球。当然，这与在真实的场地上玩游戏非常不同——当你将球传给队友时，你不会考虑将手指悬停在Z键上，你只会将球传给右侧。所以玩过许多运动，但没有在虚拟环境中玩过的人，必须学会将投掷与按Z键联系起来(在这个版本的游戏中)。

因此，比起将自己的真实体验转移到虚拟世界中，游戏玩家必须学习特定平台的技能才能玩游戏。这阻碍了新手玩家，将游戏的市场受众限制在那些想要花时间学习在现实世界中不一定有用的新技能的人身上。几乎所有符合21点标准的人都可以第一次坐在21点桌上玩游戏，但很少有没有经验的电子游戏玩家可以像初学者一样拿起游戏控制器，立即与另一名玩家进行电子足球比赛，而不会感到紧张或被击败。不同之处在于，在任何媒介中，21点所要求的身体技能都是简单、直观、易学且有趣的。

直觉游戏的设计:动作的历史使用

“运动传感器提供了一种直观、易于理解的操作机器的方式，这与我们的便携式游戏机非常契合。我们相信各个年龄段的人也会喜欢玩这款游戏。”

-研究与产品总经理冈田聪任天堂的工程部门，引用器件新闻发布介绍i MEMS ADXL202 (1) yoshieno Banyu-Inryoku应用程序，2004年。

今天游戏领域最大的新闻便是将体感技术融入主流主机和游戏设计中。任天堂Wii 和索尼PlayStation 3 游戏都具有MEMS运动传感器。然而，更大的影响是，动作感应现在正在推动实际的游戏设计，并在现有的游戏格式中报告一系列动作。任天堂正在使用Devices ADXL330(2)三轴MEMS传感器，为革命性的“Wii -Mote”控制器提供3D动作感应功能。

然而，这并不是MEMS运动传感器第一次被用于控制器设计。微软和罗技在1998年率先推出了SideWinder Freestyle Pro和WingMan Gamepad Extreme游戏控制器，均采用Devices ADXL202两轴i MEMS传感器。Freestyle Pro在1998年的电子娱乐博览会上获得了“最具前景的新外围设备”奖。

在游戏开发的这个阶段，很少有设计师将动作感应作为游戏设计的内在元素。如果用户想要用倾斜而不是按键来控制游戏，那么两轴倾斜感应就可以取代方向键。倾斜可以为游戏体验带来一些突破性的东西:当你向后倾斜控制器时，你可以在骑乘游戏中在摩托车上弹出一个轮子。在飞行模拟器中，向左或向右倾斜控制器可能会导致《星球大战》x翼战斗机随着你的动作向左或向右俯冲。在驾驶和飞行游戏中，严重依赖方向键控制的游戏体验从这种倾斜运动控制中获益最多。但这一概念并不是游戏设计的组成部分，并没有获得消费者的青睐。动作控制器的成本增加以及缺乏真正的基于动作的体验限制了微软和罗技产品的吸引力。

任天堂是第一个将体感与硬件和游戏概念结合在一起的公司，在他们的《yoshieno Banyu-Inryoku》和《Koro-Koro Kirby》(《Kirby Tilt ' n ' Tumble》)GAMEBOY游戏中。这些创新游戏证明了基于直觉的动作游戏是有市场的。这两款游戏都将ADXL202加速计整合到游戏中，使用倾斜来移动角色，以一种许多年龄和技能水平的人都能理解的方式。Koro-Koro Kirby利用了倾斜桌子上弹珠的原理，这是许多儿童和成人在现实生活中玩过的玩具。在将这种游戏体验转移到虚拟世界时，任天堂并不要求玩家学习新技能，因为玩家可以通过物理倾斜来控制弹球Kirby。MEMS加速度计使用的功率非常小，因此可以在便携式应用程序中用作整个游戏过程的主要控制，而不会过度消耗电池。使用IC加速计增加运动的成本也达到了不会影响消费价格的程度。这些游戏吸引了大量用户，具有直观、易学且有趣的特点。这本书在全球售出了数十万册。

直觉游戏设计:开发基于动作的应用

“由于我之前从事过使用加速度传感器的产品，所以我对这项技术的特点和局限性有了一个大致的了解。从那次经验中，我已经知道我们需要在电视附近有一个绝对的参考点，以提高控制的可靠性。”

——池田昭夫在2006年Wii发布网站上接受岩田聪采访时说。

设计任何游戏的第一步都是生成核心情节和用户概念。这包括UI设计师所创造的虚拟世界，每个玩家的目标，以及玩家与用户界面的互动。直觉设计的最基本元素是捕捉人们在现实世界中已经做过的活动，并将其带入虚拟世界，在虚拟世界中可以存在创造力、不同的挑战和幻想——但玩家不需要学习任何新技能就可以玩。将身体活动转化为控制始于运动传感器。在游戏设计中使用传感器数据的方法主要有几种，但它们都是从运动传感器如何工作的基本原理开始的，尤其是加速度计。[参见工作原理]

最重要的是要记住加速度计测量加速度。任何包含运动的东西，包括振动和冲击，都可以通过加速度计测量，因此每种应用都有不同的加速度计要求和限制。

动作游戏应用类别

简单倾斜阈值

《Kirby Tilt ' n ' Tumble》便是使用倾斜阈值的典型例子。使用倾斜相当于使用地球重力场作为沿垂直(Z)轴的1- g参考加速度(取决于位置，g约为9.8 m/s(2)，或32 ft/s(2))。当设备完全水平时，X轴和Y轴将分别经历0 g(图2)。

当玩家倾斜控制器时，游戏设计师想知道倾斜的程度是否超过了特定的阈值。测量倾斜的方法是一种固有的三角关系。加速度计的X和Y输出作为倾斜角西塔(X)和西塔(Y) (X轴和Y轴与水平线的夹角)的函数，与g sin 西塔(X)和g sin 西塔(Y)成正比。

在像《Tilt ' n ' Tumble》这样的游戏中，玩家试图模仿真实重力的效果，所以不需要知道实际角度(通过反三角函数计算);该设备的输出物理模拟影响虚拟弹珠运动的力。

对于这款只依赖于X轴和y轴与水平方向的角度的游戏，三轴加速度计是不必要的。事实上，由于X轴和Y轴水平，Z轴垂直，设备的Z输出与角偏差的余弦成正比，西塔(Z)，从垂直-在这个应用中不是很有用，没有进一步的处理。

过去，Kirby使用的是XY加速计。微软的Sidewinder Freestyle Pro使用了一个XY传感器来测量倾斜程度，以控制方向键左右上下移动的速度。如果应用程序只需要倾斜，一个2轴加速度计是低成本的选择。

手势识别:用户生成的加速

对重力测量以外的东西感兴趣?在2006年E3媒体和商业峰会上展示的《Wii Sports Tennis》等游戏使用了玩家生成的动作，其效果远远超过了重力加速度。对于此类应用，ADXL330在每个轴上的测量范围最小为±3g。不幸的是，涉及高速运动的游戏概念，如高尔夫挥杆，可能超出许多低g加速度计的测量范围。为了获得一项活动的加速度感，如果考虑手臂绕身体做圆周摆动，角加速度为:

A = v (2)/ r

有x, y, z方向的分量。如果最大加速度暂时超过设备的测量范围，设计选择包括使用具有更高最大范围的加速度计，但牺牲分辨率，或模拟过载条件-这需要测量过载何时开始和何时结束。这需要在整个范围内非常线性的性能，直到饱和度。

用户生成的动作很难建模，因为人类玩家具有解剖学上的差异，并且在相同的意图下直觉地以不同的方式移动。游戏开发者需要进行大量的测试和调整才能成功模拟这种互动。在可测试的模型中记录各种各样的运动并生成运动匹配算法和阈值已被证明是最有效的方法。

位置测量:加速度积分

设计师面临的一个具有挑战性的问题是，加速度计是否可以成功地用于测量位置变化，因为位置是加速度对时间的二重积分。显而易见的方法是在适当的时间内对加速度进行双重积分。沿着X轴，

对于恒定加速度，a，

因此，任意时刻的X位置取决于初始位置，以初始速度随时间推移获得的位置，以及时间的平方。

在相对较短的时间内集成是合理的。对于长期而言，风险在t(2)期。误差随时间的平方而增加;1000秒后的误差是1秒时的1,000,000倍。加速度测量中的任何小偏移误差，特别是对于消费级设备，很快就会产生无法忍受的误差水平，并最终(数小时，甚至数分钟)将计算位置推向极限。即使是一个没有误差的无噪声加速度计，在长时间内集成也会有其他问题。例如，拿着控制器的人可能会把控制器撞到一个物体上或把它摔到地上，造成数千吉的冲击，使加速度计的输出达到极限。

任天堂在Wii中通过使用位置参考和加速度计解决了这个问题。通过将位置与参考相关联，任天堂可以通过周期性重置来限制整合的长度，从而适当地减少错误增长。

设计一个直观的基于动作的游戏:选择传感器

“当人们抱怨旧的控制器不容易使用时，我很同情;我记得当我第一次玩《马拉松》时，我试图掌握鼠标和键盘界面，然后是《光晕》的双操纵杆设置，这是一个严峻的挑战……相比之下，Wii的控制器则轻而易举。任天堂确实为非玩家消除了一个主要障碍。几乎没有学习曲线。”

——列夫·格罗斯曼在2006年5月15日《时代》杂志上回应读者对他的文章《老少皆宜的游戏》的反馈。

本文的第一部分描述了在游戏控制中测量和使用加速数据的一些方法。然而，现实世界中加速度计的问题在于，它们的性能并不完美，它们占用空间，需要电力，它们容易受到温度变化的影响，而且它们可能会被滥用。最后一节提供了一些关于游戏所需要的性能特征，对传感器供应商的期望，以及如何测试这些参数的见解。

线性

牛顿的世界是线性的，运动是线性的，所以加速度计应该是线性的。线性行为，在全尺寸范围内，是必不可少的，因为人类期望直觉游戏的可预测反应。如果你移动手臂的速度是原来的两倍，屏幕上的动作也应该是原来的两倍。如果实际速度更快或更慢，你就必须把非线性运动作为一种特殊技能来学习，这会让游戏变得不直观。如果倾斜游戏在没有用户相应动作的情况下突然从一个角度跳到另一个角度，那就很不和谐了。

在±1- g范围内测试线性度相对简单。使用旋转插座，每个轴可以按重力方向、反重力方向和中间位置进行测试，记录每个测量点的角度和输出加速度。超过1克，就必须使用摇床和速率表。加速度计供应商可以提供线性度的统计数据来验证数据表值。更复杂，但可能更快的方法是使用交流运动测试和总谐波失真测量来直接关联线性度。

电力消耗

必须消费类MEMS运动传感器用于低压无线设备。降低加速度计的功耗可以释放更多的电力预算，用于更强大的通信，设计中其他部分更便宜的组件，以及更长的电池寿命。像ADXL330这样的低功耗设备，即使没有电源循环，通常也能从2伏电源中获取200毫安的电流，这有助于开发无线控制器，除了具有较长的游戏时间外，还能以玩家想要的自然和直观的方式自由移动。具有快速开启时间的加速度计允许电力循环，从而节省更多的电力。游戏设计师可以打开或关闭它们，以人类玩家预期的移动速度进行采样。建议将100 Hz的采样率作为平滑运动游戏的下限，从而实现50 Hz的带宽。

温度性能

温度性能是至关重要的，考虑到动作敏感设备通常是在一个人的手中，因此在播放时间变得更加温暖。出色的温度性能也很重要，因为在任何游戏环境中，无论是室外还是室内，性能都必须是可预测的。控制台甚至可以在低温下用于装有视听系统的汽车。

温度性能对游戏玩法的最关键影响是零重力偏置随温度的线性关系，以及灵敏度的温度系数。零g输出电压本质上是器件的直流偏置。许多加速度计供应商发布了关于零重力偏置的“盒子规格”，声明了输出可以通过的任意误差范围。一些加速度计使用温度传感器来提供数字温度补偿。虽然这些技术可以将偏移量保持在一定范围内，但当输出扫过温度时，通常会出现阶跃不连续-有时高达25 mg，对应于倾斜应用中超过1度的误差。测试此性能非常简单，只需在一系列温度范围内扫描加速度计并监视输出即可。这个测试是强烈推荐的;一些传感器可以产生令人惊讶的结果。

稳健性和自检

由于冲击、振动和控制器掉落会对加速度计造成数千格的输入，因此需要一个坚固的机械传感器设计。ADXL330设计具有与恶劣汽车环境中相同的机械特性，用于车辆稳定控制等功能。如果出现问题，优秀的MEMS传感器应该具有完整的机械和电子自检功能，以便在玩家拿起控制器之前帮助诊断问题。

展望未来

从历史上看，标准游戏控制器限制了直觉游戏，要求玩家学习特定的控制技能。随着游戏的发展，开发者开始将现实世界的体验转化为虚拟世界的游戏。现在，直观游戏的最新方法使用动作来实现新一代的设计，使游戏更加直观和有趣。本文介绍了在游戏控制器中使用加速计的基础，包括操作机制、测量技术和直接影响游戏性能、价格、可靠性、验证和测试的具体参数。

加速度计-工作原理

最新游戏中通常使用的运动传感器是3轴加速度计——带有电子输出的三维运动传感器，对应于x、y和z方向的加速度组件。图A显示了一个完整的3轴加速度测量系统的电气框图，±3- g ADXL330，一个微小的集成电路(4毫米平方，1.45毫米高)。它的工作电压从1.8 V到3.6 V，功耗低至180 mA。它可以感知动态(运动、冲击和振动)和静态(重力)加速度。

该传感器是一种多晶硅表面微机械结构，建立在硅片上。多晶硅弹簧将结构悬浮在晶圆片表面，并倾向于抵抗加速力。这种结构的偏转是用一个差分电容器来测量的，这个差分电容器是由连接在运动质量上的板组成的，运动质量在成对独立的固定板之间运动，电压由反相方波驱动。加速度使运动质量偏转，使差分电容失去平衡，从而产生振幅与加速度成正比的方波输出。相敏解调技术用于读取加速度的幅度和极性。

每个解调输出被放大并通过32kv电阻带离芯片。外部电容，由用户选择，提供滤波和设置带宽。该装置也有一个自检设施，以检测故障。图B是一个加速度计芯片的照片。