大型體感互動遊戲裝置實作：『防衛封鎖線之花團錦簇』
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習的附加效果，本研究設計出一套結合體感裝置和3D畫面的大型遊戲裝置系統,可經由遊戲學習訓練玩家兩種能力，一種是反應速度、另一種則是手足協調性。為了使玩家能在遊戲中同時訓練出上述兩種能力，系統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的鍵盤或搖桿控制，遊戲機制方面則將敵人出現的方式以左中右三路的方式來進行對戰，使玩家必須在短時間內判斷出攻擊方向，當攻擊方向決定之後玩家必須使用裝置上的軸向感應器轉動軸向來進行攻擊，此項對戰主要是藉由遊戲來訓練玩家的反應速度。裝置上還配有其他的體感攻擊感應介面，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練其身心整體的協調性。
關鍵詞：大型體感遊戲、裝置設計、遊戲學習、反應訓練、協調性訓練
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、創作動機與理念
隨著數位遊戲市場的開發，截至目前為止遊戲市場中大型機台所佔的比率不在少數，但大部分以虛擬實境為主要設計訴求；而其中針對遊戲學習的裝置並不多見，且大多以年齡層較低的幼兒為遊戲學習裝置的開發對象。本系統所開發出來的大型機台主要是以具有自主學習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到攻擊敵人的目的，本遊戲將學習融入實體互動裝置中，藉此訓練玩家身心的協調性和反應力。
二、創作特色
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，還能夠經由遊戲互動過程學習並訓練玩家的反應力和協調性。為了使玩家能在遊戲互動過程中同時訓練出以上兩種能力，系統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、溫度感應器、微動開關等，而非只是一般傳統的鍵盤滑鼠控制，遊戲機製方面則將敵人出現的方式以左、中、右三路並行的方式來進行，玩家必須在短時間內判斷出正確攻擊方向，當攻擊方向決定之後玩家必須使用裝置上的軸向感應器轉動軸向即可進行攻擊，此項則為遊戲中反應速度的學習。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調性的學習與訓練。期望透過使用本裝置進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習。
貳、文獻探討
一、Arduino介紹
Arduino是一塊開放原始碼的的軟硬體平台，構建於開放原始碼 simple I/O 介面版，其開發環境擁有類似Java，C 語言的Processing/Wiring程式語言。Arduino的核心開發團隊成員包括：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。可使開發引擎與電子元件例如Switch開關多類感測器或其他控制元件、LED、步進馬達或其他輸出裝置進行資料交換。開發Arduino程式之IDE介面作業環境基於免費開放原始碼為設計理念，可以讓使用者免費下載使用，以開發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時間
本遊戲裝置希望能讓使用者在眼睛接收螢幕訊息之後便能快速的透過進行對敵人之攻擊，以訓練並提升使用者本身之互動及時反應時間。反應時間的定義是對於刺激或信號產生回應動作時間的快慢。為了提高身心的反應時間，必須透過一些反應的練習才能有所提升。藉由多次反覆練習，提升身體的靈敏度與協調性再加上反應時間之訓練，可達到全方位身心協調之訓練。
強度型反應時間練習是一種全力快速完成每一種運動之訓練，是以強度為主要的練習方式，由於這種方式會在短時間之內就完成，因而還不至於會造心血管呼吸系統的工作負擔，使用關鍵是當身體接受信號之後身體動作速度的快慢節奏。然而，此種強度練習無法作長時間練習，必須要有充分的休息時間，否則易導致身體的勞累而造成反效果。
三、遊戲學習探討
本裝置希望能對使用者能以娛樂的方式進行遊戲學習，目前以娛樂裝置開發為訴求之創作具備相當大之市場需求，本裝置以娛樂玩家為首要目標，而次要目標則是在娛樂過程中也能達到練習身心協調的功效，以改進普通遊戲中無法達到的學習成效。對於開發遊戲學習裝置而言，必須考慮到各個年齡層的思考風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中所造成的結果列入分析的範圍內，並且能從各個分析項目的共通點或相異點再繼續加以探討，以估算出系統是否能達到預期的學習效果。
四、數位遊戲對於教育的影響
隨著多媒體資訊化的普及，數位遊戲已經不再只是單純的娛樂功能，其本身內含將可更為廣泛地加以延伸，其中遊戲對於教育訓練的功能更是受到注目，已經有許多相關研究證實了數位遊戲對於教育的正面意義
[4]，該研究提到會造成數位遊戲被廣泛並且成功的運用於教育用途上的主要原因有以下三點。
1. 近年來教育已經逐漸轉變為以使用者為中心的方式。
2. 數位遊戲對於一些特定主題有很好的教育成效。
3. 數位遊戲的強力吸引力將使受教者容易專注其中
[5]，而設計一套以數位教育學習為目的的遊戲必須注意的要點是如何將學習目的融入於遊戲互動過程之中 [6]。
五、人體反應訓練探討
反應速度是人體多項數值的綜合表現，所以其訓練的方式也分為許多類型。本研究運用的是反應訓練中的快慢交替方式。快慢交替的意義在於反覆快慢交替的動作來培養運動記憶，因為肌肉可以控制人體的速度和力量。藉由提升肌肉的耐力和控制不但可以增加反應速度，還能夠使身體強健
[7]。
参、執行步驟與技術
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備及Arduion裝置設置，操控系統是利用藤球旋轉的方式來控制左右方向，藤球左右兩側加裝手把裝置是為了方便玩家操控。手把上所設置的按鈕是對應遊戲中的普通攻擊；藤球下方安裝感熱裝置是對應遊戲中的火焰魔法攻擊；裝置右側風車上裝有微動開關，轉動風車時微動開關便會因為旋轉而連續進行開關的動作，遊戲畫面中便會出現風之魔法攻擊；裝置下方設有方箱，方箱中裝設腳踩裝置，腳踩裝置主要運用無段開關加上彈簧支撐，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。
圖一. 整體裝置外觀
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器來達到施展魔法的效果，而玩家最終目標就是利用各種強力魔法擊退來犯的魔界敵人，並且在一定時間內守衛住這個重要的堡壘。
圖二. 玩家遊戲流程圖
玩家的遊戲流程圖如圖二所示，一開始玩家進入遊戲之後出現的是開始畫面(如圖三所示)。按下裝置上任何按鍵就可以開始遊戲。
圖三. 遊戲開始畫面
進入遊戲之後玩家就如同一位法力高強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—使用燃燒溫度感應裝置使感應器受熱後進而發出範圍性火焰作魔法攻擊3.風之魔法攻擊—玩家將裝置上的風車舉起使之旋轉，便能發出範圍性的風性魔法攻擊4.地震攻擊—此攻擊項目為全域型攻擊，當玩家踩踏位於箱中的踏板後，畫面上即會出現全域型地震攻擊，此攻擊會使場上怪物全部被擊斃，但此攻擊也有一些限制。
圖四. 攻擊畫面(一)
圖五. 攻擊畫面(二)
圖六. 攻擊畫面(三)
除了普通攻擊之外其他的魔法在施放之後都設有冷卻時間(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，系統依照攻擊的強度來分類如下：火焰魔法CD20秒、風之魔法CD20秒、地震攻擊CD40秒。遊戲畫面的左上角設置秒數倒數計時icon，當玩家在時間之內不被怪物攻破城牆就算是成功攻略本關卡，遊戲也隨之結束。
圖七. 冷卻時間
（二）遊戲製作流程
圖八. 遊戲製作流程圖
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物件交付美術人員處理，接著美術人員將圖片與物件交給程式人員設計與套用。實體裝置部分則是與程式設計同步進行製作，最終再將實體裝置與程式部分做統合。
企劃部分我們事先討論如何將傳統搖桿轉換成大型互動介面輸入的方式 ，接著找出Arduino與電腦的結合方式，讓搖桿不再是只能握在手中套著按鍵操作的裝置，而將它擴大成類似真實攻擊的裝置。最終討論出防塔攻擊的遊戲方式並將系統改製成大型互動機台的類型，讓喜愛此類型的使用者可以更進一步融入真實的戰鬥場景中。
攻擊設計上我們採用自然元素，融合中世紀魔法的迷思，設計出普通攻擊（石頭）、火焰魔法、風之魔法、地震傷害等。在2D美術與3D物件建置時也依照時間、背景、元素的設定加以融合設計。
三、程式設計
Virtools為愛迪斯公司(Axis 3D Technology, Inc. )所代理的3D/VR開發整合平台，以圖形化的介面以及行為模組的堆疊結構來建構出3D的網站、遊戲或其他相關的應用，我們使用Virtools為開發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合讓我們在進行遊戲的過程中能夠有身歷其境的感受，以達到更高的遊戲樂趣，以下將會一一介紹其相關的設計方法。
(一) Virtools 遊戲設計
為了完成一個遊戲，2D遊戲介面和3D模型設計都是必要的元素，我們使用Virtools作為整合我們建造的模型與平面美術之平台，遊戲製作一開始的最主要步驟為場景的設計，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內的連續圖片特效來製成，由於遊戲的操作是使用實體裝置，因此在程式撰寫的過程中也依照Arduino感應裝置的特性來編寫不同攻擊方式所對應之不同程式，並將每個攻擊方式個別撰寫以方便Virtools與Arduino能夠順利結合，圖九為Virtools程式撰寫的方式，主要是使用其內建的BuildingBlocks以圖像方式來編排而成。
圖九. Virtools程式撰寫流程
(二) Arduino連接流程
透過Simple I/O介面板與電腦的溝通，我們能夠將外部的硬體裝置與電腦內的軟體資料作交流，整個遊戲流程中所有攻擊的方式都是透過Arduino板的運算來進行。我們在此處使用了兩個無段開關、一個微動開關、一個熱敏電阻與一個三軸感應器來作為各種攻擊觸發的感應裝置，其中兩個無段開關分別為普通攻擊與地震攻擊，微動開關為風系攻擊，熱敏電阻為火焰攻擊而三軸感應器則為玩家攻擊時作為準心瞄準的控制軸，當使用者執行啟動攻擊的條件之後，觸發相對應之感應裝置，經由Arduino將資料傳入電腦中，再送至Virtools的程式內，最後作攻擊的指令計算，讓玩家於遊戲中有如置身於真實場景中，更有施放魔法與攻擊敵人的真實感。
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Arduino To Virtools這個BBs讀取到經由Arduino介面板傳送的數值後，便會依據數值的不同而作不同的控制，進而產生不同的攻擊方式與畫面呈現。
(三) 問題與解決方法
由於所使用的BBs皆是出於網路上的分享資源，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介面時會發生嚴重的畫面更新率降低導致遊戲執行不順暢的問題，在此我們找到了一個解決的方式，只要將於遊戲中需要計算的公式，先經由Arduino程式的計算並燒入於I/O板內，如此只會傳送出一個單一數值給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，以期能在虛擬實境方面的製作更為得心應手且 執行效能能夠更加完善。附錄為Arduino內部的執行程序，其中也包含了我們如何解決Arduino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，由於Arduino所裝置的感應器皆為有線裝置，再架設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部，而使外型美觀的裝置也能夠正常的執行，我們希望往後對於硬體裝置的設計能夠更加的精美。
肆、裝置設計
一、軟、硬體需求
本系統的軟、硬體系統需求如下所示：
(1)
硬體需求：市面上的一台PC
與其相關週邊設備以及一張Arduino板。
(2)
軟體環境：任何可在PC上運作的作業系統，如：Microsoft Windows、Linux或在Mac上運作的Mac OS X。 (PS.有可能需要網路自動下載Virtools 3D Life
Player。)
(3)
開發工具：Virtools 4.0、Autodesk
3ds Max 9、Adobe Photoshop CS3、Arduino IDE 開發環境。
二、裝置設計
本裝置整體外觀樣式類似一個小圓台，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的法師，利用機台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不同的攻擊方向(如圖十二所示)。右手把上裝設了一個無斷開關(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的三軸感應器(如圖十四所示)。使用者握住手把朝欲施放的方向旋轉，裝置感測到旋轉的角度之後便會將螢幕上的瞄準游標移動到相對應的位置上。
圖十二. 手把 & 藤球
圖十三. 右手把上的無段開關
圖十四. 藤球內的三軸感應器
藤球右下方安裝了一個按壓式的點火裝置(如圖十五所示)，在點火裝置附近設置了一個溫度感測器。如果使用者使用點火裝置將感應器提升到達設定溫度之後畫面隨即會出現火焰魔法的特效。基座上設置了放置風車的位置 (如圖十六所示)，而風車桿上安裝了微動開關 (如圖十七)。當使用者揮舞風車進而使風車轉動時便會觸動微動開關。當程式偵測到轉速達到一定頻率之後畫面會出現相對應的風屬性魔法。
圖十五. 按壓式點火裝置
圖十六. 風車 & 風車基座
圖十七.微動開關
主體的木箱之中藏放了本裝置主要負責接受各感應器訊號的Arduino板以及相關配置的電路
(如圖十八所示)，及用來施放地震魔法的踏板 (如圖十九所示)，當玩家踩踏該踏板達到一定次數之後，畫面也就會出現全局攻擊的地震魔法。
圖十八. Arduino板&配線 圖十九. 腳踏板
伍、討論
實際操作的臨場感所帶來相對的刺激應該是這類型體感遊戲的最大優點。透過請同學老師們來實際使用過後發現，這項需要使用到多個輸入裝置的遊戲有別於現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為必須同時照顧到多個面向的事件。雖然一開始完會有點陷入手忙腳亂的窘境，不過當慢慢上手之後，發現不但可以訓練使用者的反應速度，更可以提升整體的協調性。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習訓練的效果。
陸、參考文獻
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