基于Kinect的教育游戲的設(shè)計與實現(xiàn)*

田　元　龍　艷

(華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院　武漢　430079)

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基于Kinect的教育游戲的設(shè)計與實現(xiàn)*

田元龍艷

(華中師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院武漢430079)

摘要實現(xiàn)一個基于Kinect體感器的教育游戲系統(tǒng)。利用Kinect傳感器獲取3D深度圖像數(shù)據(jù),通過骨骼追蹤技術(shù)處理這些數(shù)據(jù),進(jìn)而得到人體骨骼信息。通過各個骨骼點的空間坐標(biāo)位置的運算,實現(xiàn)手勢識別。實驗結(jié)果表明該游戲能夠用手勢來操作,提高了兒童的參與感,并且能夠幫助兒童識別圖形和顏色、提高記憶力和反應(yīng)力、學(xué)習(xí)數(shù)字計算、認(rèn)識空間和時間。

關(guān)鍵詞Kinect; 骨骼追蹤; 教育游戲

Design and Implementation of Educational Game Based on Kinect

TIAN YuanLONG Yan

(College of Educational Information Technology, Central China Normal University, Wuhan430079)

AbstractAn educational game system based on Kinect sensor is implemented. Firstly, Kinect is used to capture the 3D depth image data. Then the data is processed using skeletal tracking technology to obtain the human skeleton information. The hand gesture is recognized by calculating the spatial coordinates of each bone point. The experimental results show that gestures can be used to operate the game to improve the child’s sense of participation, and the game can help children to identify shapes and colors, improve memory and reaction ability, learn digital computation, and understand space and time.

Key WordsKinect, skeleton tracking, educational game

Class NumberTP391

1引言

教育游戲是一種新型的教育資源,它以教育為目的,以游戲為手段,集知識性、趣味性于一體,是寓教于樂的完美體現(xiàn)。到目前為止,國內(nèi)學(xué)術(shù)界對教育游戲的概念界定并沒有一致的定義,有學(xué)者將其定義為:教育游戲是指以學(xué)習(xí)學(xué)科的基本知識為目的,可以用來輔助或者替代一般教學(xué)的游戲,能夠使學(xué)生在游戲進(jìn)行中學(xué)習(xí)或者鞏固知識[1]。教育游戲雖然在國內(nèi)是新生事物,但是它在國外教育中已經(jīng)成為了一個重要的教育手段,在國內(nèi)不久的將來也一定會成為一種重要的教育手段[2]。

目前大多數(shù)教育游戲都借助于鼠標(biāo)和鍵盤來操作,雖然這些設(shè)備便宜且容易操作,但是它們并不能增加用戶的參與感。Kinect體感交互技術(shù)的出現(xiàn)給教育游戲帶來了革命性的改變。將Kinect體感交互技術(shù)與教育游戲相結(jié)合,增強了用戶學(xué)習(xí)的興趣,提高了用戶的參與感。本研究利用Kinect體感交互技術(shù)開發(fā)一款教育游戲——點點樂,該游戲能幫助兒童識別圖形和顏色、提高記憶力和反應(yīng)力、學(xué)習(xí)數(shù)字計算、認(rèn)識空間和時間,是一款輔助基礎(chǔ)教育學(xué)習(xí)的游戲。

2Kinect簡介

體感交互是自然交互中的一個重要方面[3],可以通過去除用戶與計算機之間的硬件約束降低用戶的認(rèn)知負(fù)荷。體感交互起源于游戲行業(yè),指用戶通過身體運動和身體感受等方式完成人機交互[4]。體感交互技術(shù)的發(fā)展,體現(xiàn)了對人的因素的重視,標(biāo)志著人機交互技術(shù)從人適應(yīng)計算機向計算機不斷適應(yīng)人的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的人機交互技術(shù)構(gòu)建的交互界面事實上成為隔離物質(zhì)世界和信息世界的屏障。在體感交互技術(shù)的發(fā)展過程中,出現(xiàn)過任天堂的Wii和索尼的PS3,但它們都需要額外的控制器。2010年,微軟公司推出了基于體感交互的Kinect硬件,Kinect向世人宣布:你就是遙控器(You are the controller)[5]。借助Kinect,用戶不需要使用任何遙控器、搖桿、鼠標(biāo)或者其他手柄,即用身體就可以直接操作機器。

Kinect擁有“三只眼”和“四只耳朵”?！叭谎邸狈謩e對應(yīng)著紅外投影機、彩色攝像頭、紅外攝像頭;“四只耳朵”對應(yīng)著四個麥克風(fēng)。彩色攝像頭提供了彩色圖像;紅外投影機發(fā)射紅外線,由紅外攝像頭接收紅外線,并提供深度數(shù)據(jù)。Kinect傳感器可以同時獲取RGB和深度圖像數(shù)據(jù),支持實時的全身骨骼跟蹤,可以識別一系列動作[6]。骨骼跟蹤系統(tǒng)最多同時偵測到6個交互者的精確位置,并同時辨識2個交互者的動作,每個交互可記錄包含軀干、四肢以及手指等追蹤范圍的20組細(xì)節(jié),實現(xiàn)全身體感交互操作[7]。Kinect的音頻系統(tǒng)采用了四元線性麥克風(fēng)陣列技術(shù),因此,在捕獲彩色數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)的同時,可以捕獲聲音信號。此外,Kinect的底座電動機可以控制Kinect的仰角,調(diào)整最佳姿態(tài)來適應(yīng)用戶的位置,確保用戶全身肢體被覆蓋。Kinect具有追焦功能,如果用戶超出影像范圍,底座電動機可以驅(qū)動Kinect垂直調(diào)整-28°~+28°。

3基于Kinect的教育游戲的設(shè)計

傳統(tǒng)的教育游戲需要鼠標(biāo)鍵盤等第三方工具來操作,對兒童來說,缺少參與感、操作過于復(fù)雜。體感游戲以自然用戶行為操作游戲,是一種健康的游戲模式,有利于孩子在游戲過程中得到身體的運動,達(dá)到生理和心理的愉悅感[8]。教育游戲與Kinect體感交互技術(shù)的有效結(jié)合,使之具有以下兩個優(yōu)點: 1) 自然的人機交互方式,增加玩家的參與感; 2) 操作簡單,易于掌握。Kinect價格實惠且易于購得,便于普及。利用Kinect開發(fā)的體感教育游戲,在設(shè)計過程中要注意如下幾點:用戶群、用戶數(shù)目、肢體的運動強度和頻率。本文設(shè)計的教育游戲把用戶定位在4~7歲的學(xué)齡前兒童或低年級兒童,因而在設(shè)計游戲功能、界面、關(guān)卡等時,需要考慮到這一特殊的年齡段。

3.1功能設(shè)計

Kinect體感交互技術(shù)與教育游戲的結(jié)合,使其擺脫了鼠標(biāo)鍵盤等第三方工具的束縛。用戶在玩游戲時,不需要用戶學(xué)習(xí)新的操作方法,只需要用肢體動作就能控制游戲的進(jìn)行。本文設(shè)計的游戲不需要使用任何其它設(shè)備,用戶通過手掌的移動和手勢來控制游戲的進(jìn)程。游戲分為兩種,一種是識別顏色,另一種是識別圖形。當(dāng)Kinect識別到用戶時,屏幕上的手掌隨用戶手掌的移動而移動,當(dāng)手掌移動到“開始”按鈕上,手掌向前推,游戲便開始;當(dāng)手掌移動到游戲區(qū)域,點中某個物體時,該物體就從左邊或者右邊飛出界面;當(dāng)手掌移動到關(guān)卡選擇區(qū),用戶手握拳頭上下移動,就能夠上下滾動關(guān)卡級數(shù),以便用戶選擇關(guān)卡級數(shù)。

3.2界面設(shè)計

由于該游戲用戶定位在4~7歲的學(xué)齡前兒童或低年級兒童,因而在設(shè)計游戲界面時,應(yīng)該選擇兒童喜歡的卡通背景圖。在文字設(shè)計上,應(yīng)該盡量設(shè)計得易讀性、明確性、適合性。在區(qū)域劃分上,應(yīng)盡量設(shè)計得合理。本文設(shè)計的游戲界面區(qū)域圖如圖1所示,區(qū)域1、3、7是隔離區(qū),用戶對該區(qū)域不能操作;區(qū)域2是游戲區(qū),用戶可以通過手掌點擊物體,從而使物體從兩邊飛出界面;區(qū)域4是游戲信息區(qū),顯示游戲的要求和進(jìn)程;區(qū)域5是控制游戲進(jìn)程區(qū),控制游戲的暫停和恢復(fù);區(qū)域6是游戲關(guān)卡選擇區(qū),選擇游戲的關(guān)卡等級;區(qū)域8是用戶顯示區(qū),顯示用戶的深度圖。圖中的“*”號代表比例因子,界面的長與高的比例因子不同,一個方向上的比例因子是相同的。如區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域4、區(qū)域6在長度上的比例是3∶6∶2∶1,在高度上的比例是15∶15∶6∶9,但區(qū)域2與區(qū)域4的高度并不相同,雖然都是6*,但“*”代表不同值。

圖1　區(qū)域圖

3.3關(guān)卡設(shè)計

本文設(shè)計教育游戲關(guān)卡時,要保證教育性與游戲性的有效結(jié)合。在教育游戲中,玩家既是游戲者又是學(xué)習(xí)者,游戲的目的是在游戲的同時能學(xué)習(xí)到知識。教育游戲的關(guān)卡設(shè)計須服從于教學(xué)目的,目前的教育游戲關(guān)卡的設(shè)計并沒有固定的模式可以遵循,各種各樣的形式都存在。我們在設(shè)計教育游戲關(guān)卡時可以遵循的一些原則有:首先,要確保關(guān)卡的設(shè)計能夠充分的激勵學(xué)習(xí)者(游戲者)的學(xué)習(xí)意愿;其次,設(shè)計關(guān)卡時要根據(jù)知識的不同類型設(shè)計不同的知識呈現(xiàn)方式;再次,在設(shè)計關(guān)卡時要準(zhǔn)確定位游戲者的知識水平、年齡;最后,關(guān)卡難度的設(shè)計要有一個遞進(jìn)的過程,保證游戲者通過努力能過完成任務(wù),產(chǎn)生樂趣和成就感。

在本文設(shè)計的教育游戲中,設(shè)置了這樣一組關(guān)卡機制:必須通過第一關(guān)才可以闖第二關(guān),以此類推,在通過第七關(guān)后,才能闖第八關(guān),此時前面的關(guān)卡都解開,你可以選擇任意你想玩的關(guān)卡級數(shù)。該教育游戲的關(guān)卡數(shù)據(jù)信息如表1、表2所示。從表中可以看出,各個關(guān)卡難度的設(shè)計是逐級遞增的,要求游戲者通過更多的努力才能夠過關(guān)?，F(xiàn)對表中的數(shù)據(jù)做一個簡要的介紹:T1:每隔T1s隨機產(chǎn)生一個物體;T2:每個物體從產(chǎn)生到落下消失需要T2s;數(shù)據(jù):在60s內(nèi)理論上應(yīng)該產(chǎn)生各個物體的個數(shù)(實際是不能產(chǎn)生不是整數(shù)的個數(shù),這里只是數(shù)值上的表示)和所有物體的總個數(shù)和;目標(biāo):“+”表示點中一個物體加一分,“+n”表示在這一關(guān)中,必須至少點中n個該物體,“-”表示該物體是炸彈,點中該物體就減一分,“總數(shù)”表示通過這一關(guān)所需的分?jǐn)?shù)。如在識別顏色的點點樂游戲中,第6關(guān)表示:在60s內(nèi),理論上可以產(chǎn)生120個小球,游戲規(guī)則:點中一個炸彈球(靛球)要扣一分,點中其余的球加一分,點中至少8個紅球、8個藍(lán)球,且總分要達(dá)到60min,只有滿足這三個條件,才能過關(guān)。

表1　顏色識別游戲關(guān)卡數(shù)據(jù)信息

表2　圖形識別游戲關(guān)卡數(shù)據(jù)信息

3.4實現(xiàn)流程

考慮到該游戲的用戶群,因而在設(shè)計游戲的實現(xiàn)流程時,應(yīng)盡量簡單明了,流程圖如圖2所示。軟件運行開始后,兒童站在離Kinect攝像頭3~5m的位置,用肢體動作選擇界面中的“顏色”或者“形狀”按鈕,進(jìn)入顏色識別游戲或圖形識別游戲,選擇關(guān)卡級數(shù),然后選擇“開始”按鈕,闖關(guān)開始。在游戲過程中,可以選擇“暫?！?、“恢復(fù)”按鈕,控制游戲的進(jìn)行。若在規(guī)定的時間內(nèi)完成相應(yīng)的任務(wù),進(jìn)入下一關(guān),若沒有完成相應(yīng)的任務(wù),繼續(xù)闖這一關(guān)。隨時可以選擇“退出”按鈕,退出游戲。

圖2　實現(xiàn)流程圖

4基于Kinect的教育游戲的實現(xiàn)

本文設(shè)計的游戲需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括:控件的自定義、物體的隨機生成、骨骼跟蹤、手勢識別以及控件的響應(yīng)。

4.1自定義控件

在本游戲的開發(fā)過程中,一個難點就是需要自定義按鈕且可以被Kinect識別,而游戲是在WPF中開發(fā)的,為自定義控件提供了方便。所有的WPF控件都是無外觀的,這意味著它們具有硬編碼的功能,但是它們的外觀是通過控件模板單獨定義的[9],為我們自定義控件提供了思路。選擇正確的基類進(jìn)行繼承,然后使用控件模板制作外觀,具體步驟如下:

1) 添加類。添加一個KinectHoverButton新類,其繼承于KinectButtonBase。在該類中,添加兩個重要的函數(shù):(1)private void OnHandPointerEnter (object sender, HandPointerEventArgs e){...},該函數(shù)模擬鼠標(biāo)進(jìn)入時,引發(fā)的事件。(2)public void OnHandPointerLeave(object sender, HandPointerEventArgs e){...},該函數(shù)模擬鼠標(biāo)移出時,引發(fā)的事件。

2) 自定義外觀。為了定義外觀,需要將.NET名稱空間映射到XAML名稱空間,語法如:xmlns:local="clr-namespace:WpfApplication1"(KinectHoverButton類位于WpfApplication1命名空間中)。在這個窗口中,通過路徑、樣式、控件模板為其添加外觀。路徑Path繪制圖案,可以繪制出任何想要的圖案,控件模板ControlTemplate為按鈕制定模板,樣式Style將路徑所繪制的圖案、控件模板制定的模板以及一些其它屬性設(shè)置應(yīng)用到KinectHoverButton上(樣式名為:KinectHoverButtonStyleStar1),這樣就完成了自定義外觀。

3) 使用控件。只需要使用KinectHoverButton kbtn = new KinectHoverButton();kbtn.Height=50;kbtn.Width=50;kbtn.Style=(Style)FindResource("KinectHoverButtonStyleStar1");便可以生成一個長50、寬50的KinectHoverButton類型的名kbtn按鈕。之后就可以對kbtn按鈕進(jìn)行操作。

4.2物體隨機生成

游戲中會隨機出現(xiàn)各種物體,為了實現(xiàn)物體的隨機出現(xiàn),需要用到DispatcherTimer類,它是一種能夠很好地用在WPF用戶界面中的計時器,因為它是在用戶界面線程中觸發(fā)事件。通過設(shè)置一個合理的時間間隔,然后DispatcherTimer會在該時間間隔上引發(fā)一個周期性的Tick事件。在Tick事件中,可以動態(tài)生成一個個物體,并給該物體應(yīng)用動畫,讓該物體從上而下的下落。也可以設(shè)置出現(xiàn)的某種物體的概率,這里s使用機函數(shù)Random(),例如在顏色識別的點點樂游戲中,用Random()函數(shù),隨機產(chǎn)生一個1~7的數(shù)字,若產(chǎn)生一個1,則產(chǎn)生一個紅色球,若為2,就產(chǎn)生一個橙色球,以此類推,每個顏色球的產(chǎn)生概率都是1/7。若想讓某種顏色的球出現(xiàn)的概率大,可以隨機多產(chǎn)生一些數(shù)字,然后讓某種顏色球多分幾個數(shù)字,如隨機產(chǎn)生數(shù)字1或者2時,都產(chǎn)生一個紅色球,這樣紅色球出現(xiàn)的概率就大。

4.3骨骼跟蹤及手勢識別

Kinect工作時,首先由Kinect左側(cè)的紅外投影機向環(huán)境發(fā)射紅外線,這束紅外線具有很高的隨機性,其在空間的任意兩個不同的位置所反射形成的光斑都會不相同,因而可以對環(huán)境形成立體的光編碼;然后通過右側(cè)的紅外攝像頭來采集Kinect視野中的紅外線圖像;最后,使用這幅紅外圖像和Kinect的原始參數(shù)進(jìn)行一系列的復(fù)雜計算,就可以得到具有3D深度圖像的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)3D深度圖像信息即可得到人體骨骼信息[10]。Kinect for Windows SDK最多可以支持20個骨骼點,每個骨骼點位置在空間坐標(biāo)中用X、Y、Z坐標(biāo)系表示如圖3所示,X、Y和Z軸表示深度傳感器主軸。如HandLeft骨骼空間坐標(biāo)系(X,Y,Z)可表示為:(JointType.HandLeft.Position.X,JointType.HandLeft.Position.Y,JointType.HandLeft.Position.Z)。此時需要將用戶手掌坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)進(jìn)行對應(yīng),通過Kinect SDK的核心類KinectSensor的MapSkeletonPointToColor()方法將骨骼跟蹤坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為彩色圖像坐標(biāo)系,再用ScaleOut()方法將彩色圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為如圖4所示的屏幕坐標(biāo)系,這樣,屏幕上的手掌就能根據(jù)用戶手掌位置的移動而移動了。通過各個骨骼點的空間坐標(biāo)位置的運算,可以設(shè)置手勢識別。如手向前推的動作,只需要設(shè)置手的各個關(guān)節(jié)點在一定的時間內(nèi)在Z軸坐標(biāo)上的變化超過一定的距離即可。當(dāng)Kinect捕獲用戶自定義的手勢時,系統(tǒng)將做出相應(yīng)的響應(yīng)。

圖3　20個骨骼點及坐標(biāo)

圖4　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

4.4控件響應(yīng)

游戲中,當(dāng)手掌在游戲區(qū)域時,移動到物體上,就能夠立刻讓該物體停止下落,并從左上邊或者右上邊飛出界面,實現(xiàn)方法如下:界面中的手掌移到物體上時,首先停止物體正在下落的動畫并刪除該動畫,然后添加2個新動畫,一個動畫是讓物體水平飛出界面,一個動畫是讓物體垂直向上飛出界面。當(dāng)手掌移到關(guān)卡選擇區(qū)時,Kinect識別到用戶手握成拳頭,并在Y軸方向上上下移動,就能夠讓系統(tǒng)做出相應(yīng)的響應(yīng),可以上下瀏覽關(guān)卡級數(shù)。其它的控件,如“開始”、“退出”、關(guān)卡級數(shù)“3”等按鈕,跟其它的普通按鈕用法差不多,只是它們的響應(yīng)過程是手掌移動到這些按鈕上并且手在Z軸方向上向前推,這些按鈕才會引發(fā)相應(yīng)的響應(yīng),如選擇“開始”按鈕,能讓游戲開始。

5游戲測試

本游戲的硬件開發(fā)環(huán)境為:PC和Kinect體感設(shè)備,軟件的開發(fā)環(huán)境為:Windows7、Visual Studio 2010和Kinect for Windows SDK。

根據(jù)游戲功能設(shè)計,本游戲主要實現(xiàn)了用戶通過肢體動作就能夠與計算機進(jìn)行交互,進(jìn)而控制游戲的進(jìn)程。測試選用一般的家用計算機,硬件環(huán)境為:雙核,2.66GHz;2GB的RAM;顯卡支持Microsoft DirectX 9.0c。在分辨率為1366*768、窗口最大化的情況下進(jìn)行體感交互。在測試中,當(dāng)兒童進(jìn)入Kinect檢測范圍后,Kinect識別出兒童的手,屏幕上會出現(xiàn)一個手掌隨兒童手的移動而移動。此時用戶可以根據(jù)界面中的內(nèi)容,來控制游戲的進(jìn)行,如選擇“顏色”按鈕,將進(jìn)入到識別顏色的點點樂教育游戲中,此時可以控制游戲的關(guān)卡級數(shù)、開始、退出等操作,對各個按鈕的識別率達(dá)到100%。在游戲進(jìn)行中,手掌移動到“開始”按鈕上,如圖5所示,手掌向前推,開始闖關(guān);手掌移動到物體上,物體立刻向左或者向右飛出界面,如圖6所示。在不同身形、不同性別的用戶測試中,所有的用戶都可以被系統(tǒng)成功檢測。本文開發(fā)的教育游戲,無需用戶觸碰任何硬件,真正地實現(xiàn)了自然人機交互的方式。

圖5　手掌向前推,游戲?qū)㈤_始

圖6　手掌點到綠球上,綠球正飛出界面

6結(jié)語

基于Kinect體感交互技術(shù)的教育游戲,擺脫了鼠標(biāo)和鍵盤的單一交互方式,以用戶的手勢來操作游戲,這種操作方式給用戶帶來了更多的便捷。實驗證明,Kinect體感交互能為用戶提供有效方便的交互手段,使兒童能夠在娛樂的同時學(xué)習(xí)到相關(guān)知識。值得一提的是,該教育游戲只做了兩種類型的識別:顏色識別和幾何形狀識別,可以將其擴展為更多的種類識別(如水果識別、動物識別、蔬菜識別等),只需要將一個個隨機產(chǎn)生的自定義控件應(yīng)用不同的外觀就可以實現(xiàn)。

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中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.044

作者簡介:田元,女,博士,講師,研究方向:增強現(xiàn)實,數(shù)字圖像處理,計算機視覺。龍艷,女,碩士,研究方向:體感游戲。

*收稿日期:2015年8月15日,修回日期:2015年9月22日