2 娛 樂 健 身 車 梁 志 穎 1,a, 趙 敦 華 *1 2,b 吳 鳳 科 技 大 學 消 防 系 吳 鳳 科 技 大 學 應 用 遊 戲 科 技 系 a liang@wfu.edu.tw, b jaw@wfu.edu.tw 摘 要 本 論 文 結 合 遊 戲 引 擎 與 微 處 理 機 技 術, 設 計 一 套 兼 具 運 動 與 娛 樂 的 消 防 滅 火 遊 戲 系 統, 硬 體 電 路 使 用 藍 牙 無 線 傳 輸 來 傳 送 控 制 命 令 至 遊 戲 端 軟 體 方 面 使 用 了 Unity 遊 戲 引 擎 來 設 計 遊 戲 的 內 容, 應 用 3ds Max 來 建 立 遊 戲 的 物 件, 遊 戲 程 式 則 使 用 Java Script 硬 體 方 面 以 PSoC 晶 片 為 主 體, 依 感 測 的 訊 號, 經 程 式 運 算 後, 由 藍 芽 傳 送 正 確 的 命 令 給 電 腦 端, 以 控 制 消 防 水 柱 的 強 度 與 方 向 實 際 測 試 的 結 果, 系 統 十 分 穩 定 及 順 暢 一 樣 的 硬 體 設 備, 也 可 控 制 其 它 如 賽 車 類 的 遊 戲, 讓 使 用 者 在 騎 健 身 車 時, 能 在 有 趣 的 氣 氛 下 騎 更 久, 達 到 健 身 的 目 的 關 鍵 詞 : 遊 戲 引 擎 PSoC 消 防 微 處 理 機 1. 前 言 今 日 都 市 的 建 設 持 續 進 行, 活 動 空 間 與 時 間 無 法 與 我 們 共 同 作 息, 且 都 市 空 氣 品 質 未 能 改 善, 運 動 器 材 與 健 身 房 業 者 的 興 起, 反 映 出 現 代 人 對 運 動 器 材 的 需 求 而 在 健 身 器 材 中, 健 身 腳 踏 車 十 分 受 到 歡 迎, 它 具 有 體 積 小 價 格 合 理 與 運 動 效 率 高 等 優 點, 漸 漸 普 及 在 一 般 的 都 會 家 庭 及 健 身 房 中 健 身 是 人 類 產 生 動 能 之 行 為, 藉 由 機 械 設 備 消 耗 體 能, 形 成 運 動 健 身 的 效 果 但 同 一 地 點 在 相 同 的 視 野 下, 可 能 因 枯 燥 乏 味, 而 無 法 持 之 以 恆 的 運 動 本 論 文 既 結 合 了 遊 戲 與 健 身 車, 讓 使 用 者 在 有 趣 的 情 形 下, 能 延 長 運 動 時 間, 達 到 健 身 的 目 的 隨 著 資 訊 科 技 與 半 導 體 技 術 的 進 步, 新 的 數 位 遊 戲 產 品 推 陳 出 新, 是 國 家 科 技 進 步 的 表 徵 之 一 而 數 位 遊 戲 的 應 用 已 經 從 單 純 的 娛 樂 廣 泛 地 加 以 延 伸, 如 教 育 健 身 或 職 業 訓 練 對 於 教 育 的 功 能 更 是 受 到 注 目, 許 多 相 關 研 究 也 證 實 了 數 位 遊 戲 對 於 教 育 的 正 面 意 義 [1] 行 政 院 在 2009 年 5 月 正 式 將 文 化 創 意 產 業 列 入 六 大 新 興 產 業 之 中, 並 預 計 5 年 內 可 創 造 高 達 台 幣 一 兆 元 的 產 值, 可 見 遊 戲 產 業 在 未 來 仍 有 很 大 的 發 展 空 間 以 鄰 近 的 韓 國 與 中 國 大 陸 為 例, 韓 國 政 府 對 數 位 娛 樂 產 業 人 才 培 育 有 成, 根 據 資 策 會 統 計, 韓 國 數 位 娛 樂 產 業 一 年 已 達 2 兆 產 值 然 而, 在 遊 戲 軟 體 市 場 中, 行 動 遊 戲 (mobile gaming) 成 長 的 機 會 最 大, 佔 整 體 遊 戲 軟 體 市 場 比 重 可 望 從 2010 年 的 15% 增 至 2015 年 的 20% 遊 戲 機 部 門 ( 包 括 軟 體 和 硬 體 ) 將 是 帶 動 營 收 的 最 主 要 來 源 本 計 畫 是 以 電 腦 遊 戲 為 設 計 標 的, 包 括 遊 戲 軟 體 與 硬 體 互 動 裝 置, 我 們 將 以 PSoC 微 晶 片, 設 計 控 制 器, 以 玩 家 與 控 制 器 的 姿 態 來 進 行 互 動 遊 戲 Wii 上 市 後, 在 遊 戲 市 場 上 掀 起 一 陣 風 潮,Kinect 的 出 現 更 令 人 驚 艷, 擴 展 了 電 子 遊 戲 的 想 像 空 間, 在 遊 戲 互 動 性 上 有 了 明 顯 的 進 步 但 這 只 是 起 步, 新 的 技 術 與 產 品 勢 必 會 不 斷 發 表 如 美 國 遊 戲 設 計 大 師 克 勞 佛 (Chris Crawford) 所 說 : 現 今 人 類 所 體 驗 的 交 互 性 還 處 於 童 年 期, 對 遊 戲 迷 來 說, 未 來 必 定 不 斷 會 有 新 的 體 驗 ; 對 互 動 遊 戲 設 計 者 來 說, 將 是 無 止 盡 的 挑 戰 與 機 會 全 世 界 對 互 動 與 遊 戲 設 計 人 才 的 需 求 會 不 斷 提 高 PSoC[2-3] 的 出 現, 讓 許 多 人 眼 睛 為 之 一 亮, 它 是 Cypress MicroSystems 近 年 來 的 新 產 品, 具 有 下 列 特 色 :PSoC 是 一 套 真 正 的 系 統 單 晶 片 元 件, 它 整 合 1 顆 微 控 制 器 及 一 般 內 嵌 式 系 統 中 所 需 的 類 比 及 數 位 元 件 每 一 顆 PSoC 元 件 能 整 合 多 達 100 個 週 邊 功 能, 例 如 像 放 大 器 類 比 對 數 位 轉 換 器 數 位 對 類 比 轉 換 器 過 濾 器 以 及 比 較 器 等 類 比 功 能, 並 納 入 像 是 計 時 器 計 數 器 PWM SPI 以 及 UART 等 數 位 功 能 及 1 顆 微 控 制 器, 因 而 可 節 省 設 計 時 間 電 路 板 空 間 耗 電 量 以 及 系 統 成 本 大 幅 降 低 微 控 制 器 系 統 的 設 計 門 檻, 讓 系 統 工 程 師 擁 有 高 度 彈 性 從 事 各 種 微 控 制 器 相 關 設 計, 無 需 像 過 去 那 樣 將 大 量 時 間 花 費 在 基 本 程 式 設 計 或 找 錯 Unity3D[4-5] 是 近 年 來 十 分 熱 門 的 遊 戲 引 擎 可 用 於 設 計 三 維 視 訊 遊 戲 建 築 可 視 化 及 時 三 維 動 畫 等 類 型 互 動 內 容 的 綜 合 型 創 作 工 具 可 開 發 微 軟 Microsoft Windows 和 Mac OS X 的 可 執 行 檔 案, 線 上 遊 戲,Wii 程 式 和 iphone 應 用 程 式 很 多 主 流 的 三 維 建 模 軟 體 為 Unity 所 支 援, 不 過 對 於 3ds Max Maya Blender Cinema 4D 和 Cheetah3D 的 支 援 比 較 好, 只 要 能 輸 出 *.fbx,unity 多 能 運 用 2. 系 統 介 紹 系 統 照 片 如 圖 1, 方 塊 圖 如 圖 2, 遊 戲 畫 面 如 圖 1285
2014年6月6日 台中 台灣 第九屆智慧生活科技研討會(ILT2014) Living Technology Conference 3 圖 1 中白色部分為面板 包括搖桿 控制水柱方 向 液晶顯視器 顯示難易度及車速等資訊及按鍵 控制關卡 難易度是指腳踏的鬆緊度 分為三個階 級 可依個人得喜好選定 由方塊圖可以了解系統的運作 電源部分使用 12V 的直流電給近接開關及直流馬達 降為 5V 給單 晶片 再降為 3.3V 給藍芽晶片 整台健身車 可當 成一個藍芽鍵盤 只要鍵盤能玩的遊戲 都可利用 它來執行互動遊戲 例如賽車類的遊戲便十分適 合 遊戲開始時 九個窗戶會以亂數的方式冒出火 苗 火苗會愈來愈大 若未理會 即產生爆炸 遊 戲失敗 如圖 4 若控制水柱 澆熄火源 達到 12 次後 遊戲成功 如圖 5 ISBN / 978-957-21-9400-3 圖 4 遊戲失敗畫面 圖 5 遊戲成功畫面 3. 系統設計 3.1 硬體介紹 由圖 2 可知系統的核心為 PSoC 晶片 此系統僅 有數位部分 內部規劃如圖 6 內部元件使用 16 位 元及 8 位元計數器(Counter)各一顆 及 8 位元數串 列輸出元件(TX8) 一顆 電路圖如圖 7 可分為電 源 藍芽 馬達控制 液晶顯視器及基本輸出入訊 號等部分 說明如下 圖 1 系統 系統照片 照片 圖 6 PSoC 內部規劃 圖 2 系統方塊圖 圖 3 遊戲畫面 圖 7 電路圖 1286
3.1.1 電 源 部 分 主 電 源 可 使 用 12V 的 電 池, 提 供 直 流 馬 達 與 近 接 開 關 使 用 再 使 用 穩 壓 IC 7805, 產 生 5V 提 供 微 處 理 機 液 晶 顯 示 器 搖 桿 及 按 鍵 電 路 再 經 由 穩 壓 IC 7333A 產 生 3.3V 供 藍 芽 晶 片 使 用 3.1.2 直 流 馬 達 控 制 電 路 要 固 定 時 間 讀 取 Counter 的 值, 就 知 道 目 前 的 轉 速, 送 出 對 應 的 數 字 給 電 腦, 就 可 控 制 遊 戲 中 水 柱 的 強 度 在 健 身 車 的 內 部 有 一 直 流 馬 達, 它 牽 動 內 部 機 構, 以 造 成 騎 乘 者 不 同 的 鬆 緊 程 度, 如 圖 8 在 圖 7 中 的 馬 達 電 路, 只 要 在 MO1 及 MO2 輸 入,01 或 10 即 可 控 制 馬 達 正 反 轉,00 則 馬 達 停 止 3.1.3 藍 芽 傳 輸 圖 8 健 身 車 鬆 緊 調 整 機 構 本 專 題 使 用 HL-MD08R-C2HK 晶 片, 如 圖 9 好 處 在 於, 它 的 韌 體 設 計, 使 該 晶 片 成 為 藍 芽 鍵 盤, 在 單 晶 片 端 只 要 送 出 ASCII code, 電 腦 端 就 能 收 到 按 鍵, 讓 整 台 健 身 車 有 如 無 線 鍵 盤 只 要 Unity 設 計 好 能 用 鍵 盤 玩 的 遊 戲, 都 能 成 為 與 硬 體 互 動 的 遊 戲 晶 片 使 用 簡 單, 只 需 加 上 如 圖 10 之 電 路, 連 線 時,LED1 會 閃 爍, 連 線 成 功 LED2 會 恆 亮 LED1 熄 滅 3.1.5 液 晶 顯 示 器 圖 11 近 接 開 關 圖 1 中 白 色 面 板 如 下 圖, 除 按 鍵 與 搖 桿 外, 包 含 一 個 可 顯 示 中 文 之 顯 示 器, 如 圖 12 顯 示 資 訊 如 圖 13, 除 了 美 觀, 對 系 統 除 錯 時 也 有 助 益 圖 12 控 制 面 板 圖 9 HL-MD08R-C2-HK 晶 片 3.1.6 搖 桿 圖 13 液 晶 顯 示 器 為 了 控 制 水 柱 的 方 向 以 利 滅 火, 我 們 使 用 大 型 電 玩 的 搖 桿, 如 圖 14 其 結 構 只 是 四 個 極 限 開 關, 有 如 四 個 按 鍵 前 後 左 右 搖 動 時, 藍 芽 會 送 出 W S A D 給 電 腦 端, 當 然 Unity 在 設 計 遊 戲 時, 也 必 須 用 此 四 鍵 來 控 制 水 柱, 才 能 達 到 互 動 遊 戲 的 效 果 圖 10 3.1.4 近 接 開 關 HL-MD08R-C2-HK 晶 片 電 路 在 圖 1 之 紅 色 車 身 內 部, 有 慣 性 轉 盤, 如 圖 11 騎 愈 快 則 轉 愈 快, 也 讓 遊 戲 端 的 水 柱 愈 強 因 為 近 接 開 關 對 金 屬 有 反 應, 我 們 在 轉 盤 中 挖 了 四 個 洞, 每 轉 一 圈, 近 接 開 關 即 產 生 四 個 脈 波, 將 此 脈 波 連 接 至 PSoC 內 部 16 位 元 Counter 之 脈 波 輸 入 端, 只 圖 14 大 型 電 玩 的 搖 桿 1287
3.2 軟 體 介 紹 3.2.1 PSoC 軟 體 健 身 車 的 作 用 有 如 無 線 鍵 盤, 各 鍵 的 功 能 如 表 1, 主 要 功 能 的 軟 體 流 程 圖 如 圖 15, 圖 中 只 顯 示 重 點 部 分, 細 節 未 能 詳 述, 如 PSoC 內 部 元 件 的 啟 動 及 液 晶 顯 示 器 顯 示 文 字 的 指 令 等 表 1 各 鍵 功 能 字 元 R N W S A D 1~9 重 再 水 柱 水 柱 水 柱 水 柱 功 能 水 柱 強 度 新 玩 向 下 向 上 向 左 向 右 if(input.getkey("2")). if(input.getkey("8")) particleemitter.localvelocity.z=75; if(input.getkey("9")) particleemitter.localvelocity.z=80; 水 屬 於 粒 子 系 統, 有 很 多 參 數 可 以 調 整, 為 了 簡 化 設 計, 只 改 變 往 前 (z) 發 射 的 力 量, 指 令 如 下 : particleemitter.localvelocity.z= Unity 的 環 境 中,z 前 方 y 為 上 方 在 程 式 中 按 鍵 1~9 對 應 到 水 柱 10~80 的 速 度 圖 17 18 為 particleemitter.localvelocity.z=10 與 50 的 例 子 圖 17 particleemitter.localvelocity.z=10 的 水 柱 3.2.2 建 模 軟 體 3dsMax 圖 15 軟 體 流 程 圖 Unity 除 了 地 形 與 粒 子 外, 只 能 建 立 平 面 方 塊 球 型 圓 柱 與 膠 囊 等 五 種 簡 單 物 件, 所 以 多 數 物 件 皆 須 在 3D 建 模 軟 體 完 成 本 論 文 使 用 3ds Max[6-7], 圖 16 是 建 立 房 子 之 實 例 圖 18 particleemitter.localvelocity.z=50 的 水 柱 (2) 火 苗 大 小 function Update () if(grow<0.1)gameobject.active=false;grow=0.8; grow=grow+0.04; particleemitter.maxenergy=grow; if (grow>12) grow=12;overfig.gameobject.active=true; 改 變 其 maxenergy 的 屬 性, 可 以 改 變 每 個 粒 子 的 生 命 長 度 初 始 值 為 0.8, 每 個 畫 面 增 加 0.04, 若 增 大 到 12, 發 生 爆 炸, 如 圖 19 圖 20 21 為 particleemitter.maxenergy=0.8 及 10 的 例 子, 3.2.3 遊 戲 引 擎 圖 16 房 子 建 模 實 例 Unity 可 使 用 Boo C# 及 Java Script 等 三 種 程 式 語 言, 本 論 文 使 用 Java Script 這 裡 解 釋 三 段 主 要 的 程 式 : (1) 水 柱 強 度 : function Update( ) if(input.getkey("0")) particleemitter.localvelocity.z=0; if(input.getkey("1")) particleemitter.localvelocity.z=10; 圖 20 圖 19 爆 炸 畫 面 particleemitter.maxenergy=0.8 1288
圖 21 particleemitter.maxenergy=10 (3) 滅 火 程 式 水 微 粒 子 系 統, 必 須 做 適 當 的 設 定, 才 能 有 碰 撞 的 效 果, 但 火 也 是 粒 子 系 統, 程 式 無 法 計 算 如 此 龐 大 的 外 殼 碰 撞 情 形 本 論 文 處 裡 的 方 式 如 下 : I 參 數 設 定 在 參 數 畫 面 中, 如 下 圖 的 紅 圈 處, 必 須 點 選, 才 能 感 受 水 的 碰 撞 圖 23 遊 戲 啟 始 畫 面 圖 22 水 粒 子 的 參 數 設 定 II 因 無 法 感 測 水 與 火 的 碰 撞, 所 以 須 加 上 一 個 碰 撞 面, 如 圖 22, 程 式 也 寫 在 該 方 塊 上, 記 得 要 取 消 其 著 色, 使 成 為 隱 形 的 物 件 圖 22 透 明 碰 撞 方 塊 III 程 式 設 計 如 下, 每 當 方 塊 被 水 碰 撞 時, 相 對 應 的 火 要 減 0.5, 直 到 消 滅 被 水 柱 噴 到 後, 火 會 愈 來 愈 小, 但 若 水 柱 離 開, 火 又 會 增 大, 必 須 澆 熄 為 止 function OnParticleCollision( other: GameObject) fire1.grow=fire1.grow-0.5; 4. 實 驗 結 果 系 統 運 作 十 分 順 暢, 各 部 分 功 能 皆 達 到 預 期 的 效 果 為 了 讓 初 學 者 了 解 玩 法, 我 們 設 計 了 初 始 畫 面, 如 圖 23, 玩 家 須 先 將 水 柱 瞄 準 標 靶 且 滅 火 後 才 能 開 始 遊 戲 系 統 動 作 畫 面 如 圖 24, 在 遊 戲 中, 我 們 也 加 入 音 效, 如 消 防 車 警 笛 聲 爆 炸 聲 等, 以 增 加 遊 戲 的 臨 場 感 5. 檢 討 與 討 論 圖 24 遊 戲 啟 始 畫 面 測 試 結 果, 效 果 良 好, 但 仍 有 可 改 進 的 地 方, 說 明 如 下 : 1. 藍 芽 模 組 成 本 過 高, 將 改 用 USB 加 無 線 傳 輸 模 組 的 方 式 來 設 計 控 制 器 [8] 2. 希 望 能 做 到 更 真 實 的 感 覺, 比 如 遊 戲 裡 遇 到 上 坡, 讓 健 身 車 上 的 系 統 能 感 知, 進 而 自 動 調 整 難 易 度, 讓 玩 家 踩 踏 板 時 有 變 重 的 效 果, 達 到 體 感 娛 樂 健 身 目 的 3. 可 設 計 較 多 的 關 卡 或 較 複 雜 的 遊 戲, 以 增 強 系 統 的 實 用 性 參 考 文 獻 [1] 簡 幸 如, 數 位 遊 戲 設 計 之 教 學 模 式 建 構, 國 立 中 央 大 學 學 習 與 教 學 研 究 所 碩 士 論 文,2005 [2] 梁 志 穎,PSoC 嵌 入 式 系 統 晶 片 實 作 入 門, 旗 標 出 版 股 份 有 限 公 司,2009 [3] 許 永 和, 介 面 設 計 與 實 習 :PSoC 與 感 測 器 實 務 應 用, 全 華 圖 書,2011 [4] 楊 東 華,Unity 3D 4.X 全 方 位, 遊 戲 設 計 基 礎, 全 華 圖 書,2013 [5] 邱 勇 標,Unity 3D 遊 戲 設 計 實 戰, 碁 峯 資 訊, 2013 [6] 林 國 龍,3ds Max 2011 遊 戲 CG 動 畫 製 作, 佳 魁 資 訊,2011 [7] Autodesk,Learning Autodesk 3ds Max 2012, 碁 峰,2011 [8] 許 永 和,USB 規 格 與 理 論 剖 析 : 含 無 線 USB 與 USB 3.0, 儒 林,2009 1289