基于體感技術(shù)的感覺統(tǒng)合游戲的設(shè)計與實現(xiàn)*

◆王勇麗 梁峻波 萬勤 黃昭鳴 高棟

基于體感技術(shù)的感覺統(tǒng)合游戲的設(shè)計與實現(xiàn)*

◆王勇麗 梁峻波 萬勤 黃昭鳴 高棟

特殊教育學(xué)校大部分學(xué)生存在感覺統(tǒng)合失調(diào)，通過虛擬現(xiàn)實場景的游戲鍛煉學(xué)生的感覺統(tǒng)合功能，豐富了教學(xué)內(nèi)容，有利于學(xué)生身心的全面發(fā)展。結(jié)合Kinect體感交互技術(shù)設(shè)計一系列的感覺統(tǒng)合訓(xùn)練游戲，使學(xué)生在較為安全的環(huán)境中提高感覺統(tǒng)合能力。

虛擬現(xiàn)實；感覺統(tǒng)合；Kinect

10.3969 /j.issn.1671-489X.2016.02.053

1 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是一種體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，它以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的虛擬環(huán)境[1]，再結(jié)合相關(guān)的專業(yè)知識，生成在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，讓用戶產(chǎn)生親臨真實環(huán)境的感受和體驗[2]。VR人機(jī)交互技術(shù)可較大程度地構(gòu)建“真實”學(xué)習(xí)環(huán)境，有力地支持了學(xué)生主動參與教學(xué)實踐的課改要求。

隨著“教育回歸生活”的討論愈演愈烈，虛擬現(xiàn)實技術(shù)運(yùn)用于特殊兒童感覺統(tǒng)合失調(diào)的教學(xué)成為發(fā)展特殊教育的關(guān)鍵之一。張倩[3]等人認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實的交互性可以使學(xué)生沉浸在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的角色中，可以全身心地投入學(xué)習(xí)。Romano DM[4]等人認(rèn)為，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為用戶提供每次訓(xùn)練結(jié)果的實時反饋和一階段訓(xùn)練后的成績反饋，可以激發(fā)患者的興趣及主動性。且大量研究結(jié)果表明[5-8]，患者在虛擬環(huán)境中學(xué)會的運(yùn)動技能能夠遷移到現(xiàn)實環(huán)境中。

2 感覺統(tǒng)合訓(xùn)練

感覺統(tǒng)合（Sensory Integration，SI）是指腦對個體從視、聽、觸、嗅、前庭、本體等不同感覺通路輸入的感覺信息進(jìn)行選擇、解釋、聯(lián)系和統(tǒng)一的神經(jīng)心理過程，是個體進(jìn)行日常生活、學(xué)習(xí)和工作的基礎(chǔ)[9]。感覺統(tǒng)合理論是美國的艾爾絲（Ayres）博士創(chuàng)立的，于20世紀(jì)90年代中后期傳入我國，是兒童康復(fù)訓(xùn)練中應(yīng)用最廣、影響力最大的干預(yù)技術(shù)之一，在特殊兒童教育和康復(fù)治療領(lǐng)域占有重要地位。

綜合區(qū)域性研究報告，我國3～13歲兒童的感覺統(tǒng)合失調(diào)率大約在10%～30%之間，男童的發(fā)病率顯著高于女童，應(yīng)引起家庭、教育機(jī)構(gòu)和社會的關(guān)注[10]。目前很多感覺統(tǒng)合的訓(xùn)練室中，大部分設(shè)備功能較為單一無趣，且冰冷的儀器設(shè)備沒有親近感，往往不能持久地引起使用者的興趣，不能充分調(diào)動他們自主參與的愿望。且有些傳統(tǒng)的感覺統(tǒng)合訓(xùn)練設(shè)備安全系數(shù)較低，在使用過程中難免會出現(xiàn)各種各樣的損傷。如果借助現(xiàn)代化高科技產(chǎn)品來鍛煉孩子感覺統(tǒng)合功能，通過在平地上虛擬現(xiàn)實的游戲場景，便可以解決以上問題。

感覺統(tǒng)合失調(diào)的關(guān)鍵問題是本體覺、前庭覺和觸覺障礙。本體覺是感受個體身體所處的空間位置、運(yùn)動狀態(tài)及其變化的感覺，并參與身體姿勢、動作及平衡的調(diào)控。本體覺可促進(jìn)大腦功能的發(fā)展，提高行為的表現(xiàn)力，直接影響兒童的學(xué)習(xí)能力。本體覺障礙的兒童，動作方向、力度、幅度、速度控制不好，空間方位感知困難，從而影響兒童的閱讀、書寫等學(xué)習(xí)行為。本體感受器是位于肌肉及肌腱深處的特殊裝置，感受肌肉及肌腱受牽拉的機(jī)械信息，通過做一系列拉伸四肢的動作，可改善個體的本體覺。研究顯示，踢足球活動可以促進(jìn)兒童下肢本體運(yùn)動感知覺的發(fā)展[11]，足球活動的活潑性和生動性可以激發(fā)兒童訓(xùn)練的積極性。

前庭覺的功能主要是感受軀體空間位置的變化，與平衡功能密切相關(guān)。兒童的抬頭、翻身、坐、爬、站、走等早期運(yùn)動功能發(fā)育與前庭功能相互促進(jìn)、共同發(fā)育。前庭功能異常的兒童往往表現(xiàn)在對身體失衡不敏感，不善于保持和調(diào)節(jié)軀體平衡；或?qū)ι眢w失衡特別敏感，表現(xiàn)為動作僵硬笨拙。前庭感受器的球囊主要感受人體垂直方向直線變速運(yùn)動，跳蹲動作可訓(xùn)練前庭覺。

觸覺是兒童感覺、認(rèn)識、運(yùn)動等的發(fā)展基礎(chǔ)，是兒童認(rèn)識世界的主要基本途徑，而且觸覺是有效的社會交往方式，是建立親子感情的主要途徑。觸覺的防御功能對兒童健康生長、自我保護(hù)、免疫系統(tǒng)等方面有很大的影響。觸覺感覺信息處理失調(diào)往往會導(dǎo)致多種不良后果，影響兒童的學(xué)習(xí)、交往等能力。在游戲設(shè)計中，考慮到游戲的趣味性設(shè)計了走迷宮項目，在地板上鋪2平米左右不同材質(zhì)和形狀的方格，有凸起的小石子、海綿、花紋、泡沫等。該2平米的方格大小對應(yīng)三維游戲中的迷宮大小。

3 虛擬現(xiàn)實感覺統(tǒng)合訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實感覺統(tǒng)合訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件虛擬現(xiàn)實感覺統(tǒng)合訓(xùn)練系統(tǒng)的實際測量的硬件包括圖像采集設(shè)備（Kinect）、電腦主機(jī)（Windows7操作系統(tǒng)）、外置音箱等設(shè)備，收集到的信息通過數(shù)學(xué)模型計算來獲得物體的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)。

1）圖像采集設(shè)備。采用微軟公司2010年推出的基于體感交互的Kinect人機(jī)交互新型設(shè)備，利用即時人體骨骼追蹤、影像識別等功能，通過玩家的肢體動作來控制游戲[12]。人體骨骼追蹤技術(shù)是Kinect的核心技術(shù)，根據(jù)人體的大關(guān)節(jié)部位將人體標(biāo)定為20個關(guān)鍵點（圖1），軀干、四肢的運(yùn)動可以用這20個點的三維運(yùn)動來描述出來。微軟公司采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立了龐大的人體骨骼框架圖像資料庫，能對感應(yīng)到的人體骨骼框架進(jìn)行智能辨識匹配，實時獲取訓(xùn)練者的姿勢和動作變化的數(shù)據(jù)，并將該動作數(shù)據(jù)結(jié)合實時影像互動系統(tǒng)，使訓(xùn)練者與屏幕之間產(chǎn)生緊密結(jié)合的互動效果。

Kinect的整體構(gòu)架包括紅外線發(fā)射器、RGB彩色攝像頭、紅外線COMS深度攝像頭、仰角控制馬達(dá)和超強(qiáng)并行計算邏輯的系統(tǒng)級芯片。Kinect將采集圖像、深度數(shù)據(jù)流和骨骼信息，通過USB傳給PC主機(jī)，最后利用進(jìn)程間的通信與PC機(jī)上的其他應(yīng)用程序進(jìn)行信息融合[13]。

Kinect的工作示意圖如圖2所示，它的水平視角為57°，偵測的人體骨豁的最佳距離為1.2～3.5米，有效工作距離為5米。訓(xùn)練者處于有效距離之內(nèi)，計算機(jī)通過獲取訓(xùn)練者的動作數(shù)據(jù)用于控制虛擬場景，虛擬場景通過置于訓(xùn)練者正前方的LED顯示屏顯示，訓(xùn)練者通過觀看LED的交互結(jié)果與虛擬場景交互。

2）電腦主機(jī)。硬件需求：需滿足處理器（CPU）主頻2.0 GHz以上，內(nèi)存（RAM）4 G以上，顯卡NVIDIA GeForce GT610以上，硬盤容量200 G以上。電腦主機(jī)通過Kinect for Windows API來獲取深度圖像數(shù)據(jù)來進(jìn)行骨骼運(yùn)動軌跡跟蹤。

圖1 Kinect感應(yīng)人體20個關(guān)鍵點

圖2 Kinect工作示意圖

虛擬現(xiàn)實感覺統(tǒng)合訓(xùn)練系統(tǒng)的游戲設(shè)計游戲設(shè)計根據(jù)三大常見感覺統(tǒng)合障礙訓(xùn)練原則制定。

1）本體覺訓(xùn)練——足球射門。足球射門游戲是一款要求訓(xùn)練者通過單腳站立同時另一只腿進(jìn)行踢腿動作來控制屏幕中人物完成射門的游戲。游戲背景是一個足球場，綠色的草坪上方有一個白色的球門。屏幕中有一個足球運(yùn)動員與球門有一定的距離，腳下放一足球。訓(xùn)練者踢出自己的腳，以控制游戲中人物踢出右腳，當(dāng)踢出的角度達(dá)到一定值，便可將足球踢出，足球向前滾動，足球的滾動速度和腳踢出的速度有關(guān)，當(dāng)腳踢出的速度達(dá)到一定值，足球便可進(jìn)球門。若腳踢出的速度過小而達(dá)不到設(shè)定值，球到達(dá)球門之前便會停下來，這就表示此次動作失敗。當(dāng)足球進(jìn)門時，會發(fā)出歡呼的音效給訓(xùn)練者以聽感上的刺激。游戲可選“右腳模式”和“左腳模式”。結(jié)束游戲后的界面中，給出游戲總時間、踢進(jìn)的足球個數(shù)和游戲的成功率r。設(shè)踢出的足球總數(shù)為N，其中進(jìn)門的足球個數(shù)為n，則成功率r的計算公式為：

踢腳的檢測是通過檢測當(dāng)前腳抬起的角度和踢腳的角速度來完成，當(dāng)腳抬起的角度大于預(yù)設(shè)值，同時踢腳的角速度也大于預(yù)設(shè)值時，判斷當(dāng)前動作為踢腳。其中，踢腳的角速度這一值可以反映出訓(xùn)練者腳部運(yùn)動能力的強(qiáng)弱，它的獲得的過程如下：①創(chuàng)建腳抬起角度鏈表，用于保存腳抬起角度，腳抬起角度通過髖（HIP）、膝（KNEE）、腳（Foot）與垂直線的夾角獲得，經(jīng)過測試和調(diào)節(jié)，確定此處序列的長度為30幀；②將鏈表中30個值兩兩相減，再將所有差值求平均數(shù)，得到的便是平均角加速度。

圖3 人體跳躍時感應(yīng)點的位移變化

以檢測右腳踢腳為例。設(shè)定右臀點（HipRight）坐標(biāo)（x1，y1，z1），右腳（FootRight）坐標(biāo)（x2，y2，z2）。設(shè)抬起的角度是指與垂直線的夾角α，計算公式為：

2）前庭覺訓(xùn)練——跳蹲游戲。跳蹲游戲是指虛擬場景中躲避障礙物的游戲。該游戲設(shè)定的場景是一片美麗的樹林，游戲的主角在樹林前方的小路上奔跑，跨過一道道障礙，奔向勝利的終點。當(dāng)人物前方出現(xiàn)石頭等障礙物時，畫面中將會出現(xiàn)向上的箭頭，此時訓(xùn)練者需要做出跳躍（或替代性動作）以控制游戲人物向上躍起以躲避障礙物；當(dāng)人物前方出現(xiàn)懸空的木頭等障礙物時，畫面中將會出現(xiàn)向上的箭頭，此時訓(xùn)練者需要做出蹲下（或替代性動作）以控制游戲人物向下蹲以躲避障礙物。若人物沒有及時躲避障礙物，HP（血量）就會減少，在游戲時間結(jié)束之前HP減少到0，游戲也會結(jié)束。

跳躍姿勢的判斷識別：人體在向上跳躍的過程中會伴隨著身體多個關(guān)節(jié)點的位移，同時跳躍的方法多種多樣；在經(jīng)過多次試驗和調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，頭部和肩部在不同的跳躍動作中均發(fā)生較明顯的位置變化，以此作為此動作識別的依據(jù)點。經(jīng)過多次測試，并在綜合考慮實時性和精準(zhǔn)度的前提下，選取30幀數(shù)據(jù)作為一次判斷的序列。由于Kinect的攝像頭拍攝幀率為30幀/秒，對跳躍的判斷有1秒的延時，這也是訓(xùn)練者可以接受的范圍，具體實現(xiàn)算法如下。

①從當(dāng)前點往前取30個肩部中心垂直坐標(biāo)點數(shù)據(jù)：Z1，Z2，…，Z30。

②若滿足Z(t+1)≥Z(t)*(1+K)，則判斷此時的動作為跳躍，K值為經(jīng)驗值。本系統(tǒng)中，K=0.01，這個取值是由多次測試并調(diào)節(jié)而得出的。跳躍過程如圖3所示。

在判斷下蹲姿勢的過程中，用到的關(guān)節(jié)點有右臀A（HipRight）、右腳B（FootRight）和右膝蓋C（KneeRight）。下蹲時，判斷這三個點所構(gòu)成的△ABC內(nèi)角∠ACB是否為銳角，即小于90°。設(shè)A、B、C三個點的坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）（x3，y3，z3），計算方法如下：

按照相同方法，對左臀A′（HipLeft）、左腳B′（FootLeft）和左膝蓋C′（KneeLeft）進(jìn)行判斷，若cos∠ACB和cos∠A′C′B′均大于0，則表示當(dāng)前訓(xùn)練者處于下蹲狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 下蹲時下肢感應(yīng)點位置

3）觸覺訓(xùn)練——走迷宮。走迷宮是一款通過視覺刺激來引導(dǎo)訓(xùn)練者進(jìn)行身體前后左右移動，同時腳底出現(xiàn)不同感覺刺激平面的游戲，訓(xùn)練其觸覺功能。并且這是一款益智類游戲，可鍛煉訓(xùn)練者的思維和視覺追蹤能力。游戲感應(yīng)訓(xùn)練者的SHOULDER CENTER骨骼關(guān)鍵點。本游戲的結(jié)果記錄是顯示游戲時間、成功率，如果最終沒有走出迷宮，就顯示游戲失敗。

走迷宮游戲的實現(xiàn)原理主要是空間坐標(biāo)的映射。游戲中迷宮為一個長w，寬h的長方形。設(shè)定初始時刻游戲人物的坐標(biāo)為（0，0），在屏幕的左下角，終點位置在評估的右上角（w，h）。訓(xùn)練者位于Kinect前方，其初始位置的腰部重心Hip Center空間坐標(biāo)為（x0，y0，z0）。在游戲的過程中，訓(xùn)練者通過變化的腰部重心Hip Center空間坐標(biāo)來控制游戲中人物的位置變化。當(dāng)空間坐標(biāo)為（x，y，z）的位置時，由于y值不變，其位置亦可表示為（x，y0，z）。在實際空間坐標(biāo)系中，人物的位移為：

設(shè)游戲中的坐標(biāo)比例和實際坐標(biāo)比例a:1，則游戲中人物的位移為：

在x、z坐標(biāo)軸上的位移為：

由于游戲人物的原是坐標(biāo)為（0，0），經(jīng)過位移之后，游戲人物的坐標(biāo)為：

依此坐標(biāo)便可對游戲元素進(jìn)行繪制。當(dāng)游戲人物坐標(biāo)達(dá)到目標(biāo)位置（w，h）時，游戲結(jié)束。

虛擬現(xiàn)實感覺統(tǒng)合訓(xùn)練系統(tǒng)的游戲?qū)崿F(xiàn)游戲的實現(xiàn)是利用XNA框架搭建而成，包括游戲初始化（Initialize）、資源加載（LoadContent）、邏輯更新（Update）、畫面刷新（Draw）、資源卸載（UnloadContent）五個部分。這五個部分的工作原理如圖5所示。

圖5 XNA工作原理圖

游戲初始化的工作包括配置文件的加載、游戲參數(shù)的初始化、Kinect工作類的啟動。資源加載是指將游戲圖像資源、音頻資源等加載到內(nèi)存中。邏輯更新是指游戲邏輯的更新，包括隨時間推進(jìn)的自動更新和訓(xùn)練者觸發(fā)的更新：隨時間推進(jìn)的更新指的是諸如時間增加、背景移動等非訓(xùn)練者可控的更新；訓(xùn)練者觸發(fā)的更新包括動作控制以及引起的相關(guān)系列更新，如發(fā)出跳躍動作，Kinect工作類中的人體動作識別模塊識別出 這一動作，發(fā)出消息通知Update（）函數(shù)對游戲人物進(jìn)行位置的更新，同時播放相關(guān)音效。畫面刷新是指根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)繪制圖像到屏幕之上。由于XNA的輪詢特點，因此，Update（）和Draw（）是間隔固定的時間（一般60幀的刷新率時，間隔時間為1000/60=16毫秒）自動執(zhí)行操作，無論訓(xùn)練者是否觸發(fā)相關(guān)事件。資源卸載是在退出游戲之時，釋放之前加載到內(nèi)存的資源，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

虛擬現(xiàn)實感覺統(tǒng)合訓(xùn)練的系統(tǒng)實現(xiàn)本系統(tǒng)的開發(fā)語言為Microsoft Visual C#，開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2010，主程序框架是基于Windows窗體應(yīng)用程序開發(fā)；虛擬互動游戲也是基于Microsoft Visual C#語言，利用Microsoft XNA框架和Kinect for Windows SDK開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)的。由于C#語言語句開發(fā)高效、易用等強(qiáng)大的優(yōu)勢，而且在運(yùn)行效率上和C、C++已經(jīng)非常接近，足以處理絕大部分情況。同時，作為一個輕量級游戲框架，XNA在開發(fā)2D游戲上有著不可比擬的簡易性。每個游戲?qū)?yīng)的實現(xiàn)方法框架如圖6所示，其中灰色的為游戲名稱。游戲分為兩種類型，采用的識別算法有所區(qū)別。單幀靜態(tài)分析是指在經(jīng)過濾波去噪后，對當(dāng)前幀進(jìn)行分析檢測，這種分析得到的結(jié)果將得到一個姿勢（Posture）；多幀動態(tài)分析是指從當(dāng)前幀開始往后累積若干幀，進(jìn)行分析檢測，這種分析得到的結(jié)果得到的是一個動作（Gesture）。

圖6 每個游戲?qū)?yīng)的實現(xiàn)方法

4 結(jié)束語

現(xiàn)代教育教學(xué)已經(jīng)向信息技術(shù)為背景轉(zhuǎn)化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其沉浸性、交互性、多感知性的特點[14]，成為現(xiàn)代化科技發(fā)展的熱點。國家“醫(yī)教結(jié)合”理念尚處于摸索階段，使用新興高科技來豐富教學(xué)模式和教學(xué)方式，有助于特殊教育教學(xué)質(zhì)量的提升。基于虛擬現(xiàn)實的運(yùn)動能力訓(xùn)練，設(shè)計游戲的原則是要依據(jù)特殊教育學(xué)校的兒童運(yùn)動發(fā)育特點，從易到難設(shè)置等級，不至于最低難度的游戲大部分學(xué)生還是完成不了，這樣會降低他們使用的欲望。游戲設(shè)計的最基本原則是能夠提高相應(yīng)的運(yùn)動功能，在玩游戲的情況下既鍛煉了運(yùn)動能力，又能將這些能力遷移到生活和學(xué)習(xí)中，就達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。而且運(yùn)動有助于智力的發(fā)展，調(diào)動學(xué)生運(yùn)動參與的主動性，同時也開發(fā)了大腦，對障礙兒童的身心發(fā)展非常有益。

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TP391.9

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1671-489X(2016)02-0053-05

*項目來源：公司合作“醫(yī)教結(jié)合”綜合康復(fù)研究項目（項目編號：48901640）。

作者：王勇麗，華東師范大學(xué)言語聽覺康復(fù)科學(xué)系博士研究生；梁峻波，華東師范大學(xué)言語聽覺康復(fù)科學(xué)系碩士研究生；萬勤，華東師范大學(xué)言語聽覺康復(fù)科學(xué)系副教授，博士；黃昭鳴，華東師范大學(xué)言語聽覺科學(xué)教育部重點實驗室教授，博士，主要從事特殊兒童教育康復(fù)研究（200062）；高棟，上海泰億格康復(fù)醫(yī)療科技股份有限公司，主要從事教育游戲、體感游戲軟件開發(fā)（200333）。