簡介

過去一年來，使用雙核心處理器的新一代遊戲硬體正達到高階電腦系統的水準。在市場上相互較勁，吸引眾人關注的三大遊戲機系統所用的運算與繪圖馬力遠多於許多電腦系統。對嚴格的遊戲玩家來說，多重GPU(繪圖處理單元)影像卡被看成值得花費的投資。在處理運算、繪圖、聲音，甚至遊戲本身等這些所有的進展之中，有一項最大重大變化─即是非常直覺的動作型遊戲控制的推出。這項改變是由新一代非常低功率以MEMS為基礎的動作感測器來推動，過去這類感測器最初用在汽車產業，當作安全氣囊碰撞感測器。以MEMS為基礎的3D動作感測遊戲控制器將不只是影響到該如何玩遊戲，更重要的是， 將影響到該如何設計遊戲。

本文將回顧目前遊戲系統的能力，描述遊戲元素如何達到或者阻礙直覺式遊戲設計，以及現有控制硬體如何限制遊戲的設計。用於下一代遊戲系統的3D動作感測器的操作原理，動作感測如何降低入門與專業玩家的學習曲線，以及什麼是需要熟悉的重要規格與開發原則等內容都將一一被介紹到。

限制直覺式遊戲的設計元素

負責設計任天堂Wii中的加速計硬體的Akio Ikeda，在Wii發佈網站中與Satoru Iwata訪談時表示，在進行電玩遊戲時，最接近遊戲者的東西就是控制器。因此控制器便應該被視為是遊戲者延伸而非是遊戲主機的一部份。Akio常記在心的重點就是，遊戲者接觸控制器與UI（使用者介面）的機會遠高於主機本身。

每部遊戲情節都會假設遊戲者在拿起卡片之前，擲骰子之前或敲下按鈕之前，都已經有一些知識。但這顯示出來的卻是在許多遊戲套件中的遊戲”建議年齡”。例如，在電玩遊戲Black-Jack(21點)中，對初學者做了以下的假設，或者需要遊戲者學習以下技巧。

當遊戲者開始想將21點當作賭博遊戲，學到賭注與報酬，比較發牌者的值不只有21的值而已，如加倍（doubling down）的動作也可以讓初學者成為專家。在21點遊戲中的使用者，就算用不同的遊戲格式互動，其範圍從一副牌到電腦上的滑鼠，終究也無法改變遊戲本身。「打我（Hit-me）」的動作永遠一樣，且目標也永遠是21。

虛擬遊戲環境改變了遊戲者與遊戲互動的方式。控制器、UI互動一直限制使用者的體驗。比方說，在基本的美式足球電玩遊戲中，遊戲者選擇投球給三個虛擬遊戲者其中一個的方式是使用鍵盤或遊戲控制器。

《圖一　按鈕取代自然的空間關係》

標準控制器與介面破壞了直覺的自然空間關係。圖 1顯示，連續投球給遊戲者與按鈕X，Y和Z相關。在圖1（b）中，遊戲者用按鈕Z，選擇給右邊的遊戲者。在圖1（c）中，方塊不再有球， 遊戲者Z已經收到投球。請注意，這比起在真正球場上玩遊戲是非常不同的，在真正球場上你不用考慮按下任何Z按鈕來傳球給你的對友，你只要傳到右邊就可以了。從另一個角度來看，有個會玩許多運動的人，但未曾在虛擬環境中玩過，就必須學習做與Z按鈕有關的動作。

除了需要將先前的真實生活經驗轉換到虛擬世界外，遊戲玩家還必須學習特定的平台技巧才能玩。這阻礙了遊戲初學者並限制了那些想要花時間學習遊戲新技巧的市場愛好者。大多數人都能在21點牌桌坐下來，且第一次就會玩，但在電玩社群外卻只有極少數人可以拿起遊戲控制器，當作初學者，並且在社交情況下立刻上手玩，也不會感到緊張或是壓倒對手。21點遊戲需要的技巧存在於許多其他自然的設定中，使遊戲達到直覺式，簡單學習而且有趣。

設計直覺式遊戲:有史以來使用的動作

任天堂研發部總經理Satoru Okada 就曾表示，動作感測器提供一種直覺式，而且非常容易瞭解的方式來操作機器，它運用在我們的可攜式遊戲主機上的效果非常好。，相信每個年齡層也能享受玩「耀西的萬有引力（Yosshie-no Banyu-Inryok）」的樂趣。

今天遊戲界最大的新聞是動作感測在主流遊戲機與遊戲設計上的合作。任天堂的Wii與索尼的Playstation 3都具有MEMS動作感測器。然而，最大的衝擊卻是動作感測器現在同時正推動真實遊戲的設計。任天堂使用了ADI 的ADXL330 3軸iMEMS感測器，提供「Wii-Mote」控制器3D動作感測的功能。但這並不是第一次MEMS動作感測器被設計在控制器設計中。

早在1998年，微軟與羅技電子領先提出這個想法，應用在SideWinder Freestyle Pro與WingMan遊戲搖桿上，它們都採用了ADI的ADXL202 2軸iMEMS感測器。 Freestyle Pro還在1998年電子娛樂展中贏得「最具潛力新週邊」獎項。在當時發展時點上，很少遊戲設計者搭配遊戲設計具有動作感測功能。假如使用者想要用傾斜而非按壓按鈕來控制遊戲時，則2軸傾斜感測功能可取代D鍵(方向鍵)。在增加玩遊戲的體驗上，傾斜可以做一些突破的事情。當你將控制器往後傾斜，你可以在騎車遊戲中，在摩托車上出現單輪特技（wheelie）。將你的控制器傾斜往左往右， 星際大戰 X-Wing Fighter就會在飛行模擬器中，隨你的動作向左或向右俯衝。不論開車或飛行遊戲，這些非常仰賴D鍵來做控制的體驗，都因這類傾斜動作控制而受惠。這個概念從遊戲設計端消退，從未見應用在主要的消費產品上。為實現動作控制器所增加的成本以及缺乏真正以動作為基礎的體驗，限制了市場對微軟與羅技產品的吸引力。

任天堂是第一家共同設計出具有動作感測功能的硬體與遊戲概念的廠商，並運用在「耀西的萬有引力（Yosshie-no Banyu-Inryok）」和「滾滾卡比（Koro-Koro Kirby） (Kirby’s Tilt ’N Tumble)」GAMEBOY的電玩光碟中。這些創新的遊戲證明了直覺動作型遊戲存在的市場。這二部皆含有ADXL202在遊戲卡匣中，使用了傾斜來移動人物，這樣的控制方式讓許多年齡層和玩家程度的遊戲者都可以瞭解。 「滾滾卡比」在可傾斜的桌子使用了彈珠遊戲的原理，是一種許多小孩和大人都曾在真實生活中玩過的玩具。當將這樣的體驗轉移到虛擬世界，任天堂被要求不必學新的技巧， 如同遊戲者控制Kirby， 用實際的傾斜玩彈珠遊戲。由於MEMS加速計耗費的功率很小，所以它可以做為在可攜式應用中玩遊戲全部程序的主控制器，而不會過度消耗電池。增加動作的成本也達到一個不會影響消費者價格的價格點。這些吸引了廣大愛好者的遊戲內容是直覺式的，簡單學習的而且有趣的。在數量方面，這些遊戲全球已經銷售了數百萬套。

設計直覺式遊戲:發展以動作為基礎的應用

Akio Ikeda表示，由於過去他曾在產品上使用過加速感測器，因此對這個技術的特性以及可能會有的限制有粗略的想法。從那樣的經驗，他了解到需要一個靠近電視參考的絕對點，以便改善控制器的可靠度。

在許多遊戲中的第一步是為使用者產生主要的情節與概念。這包括UI設計者將要創造出的虛擬世界，符合每個遊戲者的目標，以及遊戲者有的互動媒介以及使用者介面。對直覺式設計最基礎的方法是補捉某人在真實世界中的動作，將它帶到虛擬世界中，這樣創造力，不同的挑戰與奇妙都會存在—但是遊戲者卻不需要學任何新的技巧才能玩。用一個動作感測器就能將實際動作轉換成控制。使用感測器資料在遊戲設計中有一些主要的做法類型，但是它們都由動作感測器，特別是加速計如何動作的基本原理開始。

最重要的是加速計量測加速度。任何包括動作中包含震動與衝撞的東西，都可以由加速計量測出，所以每個應用都有不同的加速計需求與限制。

動作遊戲應用的類型

簡單傾斜臨界點(Simple Tilt Threshold)

Tilt ‘n Tumble Kirby 是使用傾斜臨界點的最佳範例。使用傾斜等於是使用地心引力，如同在Z軸的1g參考加速度。當裝置完全是平坦時，X和Y軸將受到0g重力

《圖二　輸出響應vs重力的傾向性》

＜註：摘自ADXL330技術手冊＞

當遊戲者將控制器傾斜，遊戲設計者想要知道是否傾斜量已經超過一特殊的臨界點。用來量測角度的方法是簡單的反三角函數。角度θx 和 θy， X和Y 軸角度構成水平軸，受到以下公式所影響:

《圖三　公式1》

像Tilt ‘n Tumble最令人感興趣的地方是，如果你想要模仿真的重力作用，你可能要轉換角度，但方法不是用反三角函數，而是用真正的量測方法當作是彈珠運動物理模型的輸入。

由於三角關係的緣故，要避免因過於仰賴Z軸角度量測，使角度偏離垂直線。角度θz， Z軸構成垂直軸由以下公式所影響:

《圖四　公式2》

由於這個COS關係，ZOUT的變化非常小，造成θz。有大變化。這對加速器並非一項限制，但這在使用反三角函數是一項限制。謹此敬告，使用X和Y資訊結合Z資訊會更加準確。請注意，甚至Kirby只使用一顆XY加速計。微軟的Sidewinder Freestyle Pro使用一顆XY感測器來量測傾斜，控制D鍵盤上上下左右動作的速率。如果你的應用只需要傾斜，你使用一顆2軸加速計就可真正節省成本。

手勢認知:使用者產生的加速度

在E3展覽會上Wii的發表會中，任天堂展示了Wii的網球運動遊戲，用遊戲者產生的動作遠遠超過重力加速度。做到這樣的許多理由之一，是 ADXL330的每個軸中具有±3 g最小值的量測範圍。假設遊戲的概念包含高速動作，如高爾夫揮竿動作，你有可能也超過許多低g加速計的量測範圍。為達到一個動作的加速感，要是手臂幾乎揮過整個身體，則圓形運動是受到以下公式影響:

《圖五　公式3》

假如最大加速度超過你的量測範圍，在設計上你有一項選擇。你可以選擇一顆有更高最大範圍但犧牲了解析度的加速計，或者利用過負載的情況—諸如在過載開始與結束時進行量測。這樣需要非常線性的效能涵蓋整個範圍，包括接近飽合。

因為許多遊戲者針對相同目的，卻以不同方式產生直覺式的動作，因此由使用者產生動作是很困難的。在發展示範與遊戲過程中，我們發現針對這個應用需要大量的測試與最佳化調整。錄製大量的動作，產生動作匹配演算法和在可測試模型中的臨界值都已經被證明是最具生產力的做法。

定位量測:加速度整合

許多人都想了解如和用加速計來測出位置的。他們渴望知道的技術其實是將一段長時間段的加速度做積分。由初等微積分，可得知X 與d2X/dt2關係式，一般常聽到的X軸加速度公式：

《圖六　公式4》

三軸加速計分別只量測d2X/dt2、 d2Y/dt2以及 d2Z/dt2項。因為在系統設計中很可能會有高精確度的時脈及振盪器可用，因此整合似乎是合理的。麻煩的是t2項。當時間越拉越長，任何在d2X/dt2項的量測誤差也會隨著時間的二次方速度成長。幾乎所有消費性電子等級的加速計並沒有涵蓋小時甚至分鐘定位的整合性能。這些元件的成本，尺寸和設計並不適用於消費性市場。甚至於一顆抗雜訊無誤差的加速計也有可能因整合長時段的時間而出現問題。人手持的控制器有可能掉到地上導致數千個g碰撞，截割加速計的輸出。

使用一種與加速計相關連的定位參考器，任天堂已經解決了Wii當中的這個問題。藉由將相關的定位傳?參考器，任天堂限制了整合長度，並適度的減少誤差產生。

研發以直覺式動作為基礎的遊戲:選擇感測器

Lev Grossman在2006年5月15日的時代雜誌上所撰寫的《A Game For All Ages》文中，所回覆給讀者的回應指出，當人們抱怨舊式控制器的使用者介面是多麼地不親和性，他深感到同情;他記得當他第一次玩Marathon時，試著控制滑鼠到鍵盤的介面，然後是為了Halo設定那兩個搖桿，那真是個重大的挑戰。相形之下，Wii控制器就像拍快照一樣快。任天堂真的已經移除了非遊戲者主要的障礙。幾乎一點也沒有學習曲線。

以上的描述是關於如何取得加速度資料並將其轉換到遊戲控制中。許多加速計的問題在於它們時常不只是量測加速度而已。本文末段還會提到一些對遊戲所需效能特性的觀念，對於感測器供應商的選擇，以及如何測試這些參數。

線性度

這個世界是線性的，動作是線性的，所以加速計應該也是線性的。線性行為通過全部範圍是很基本的，因為世界是個線性的地方且人類期待對直覺式遊戲可預測的反應。假如很快地擺動手臂二次，則這個動作僅比螢幕上快1。5倍， 使用者必須學習非線性動作當作一項專業的技巧。會突然以非線性從一個角度跳躍到另一個角度的傾斜遊戲，就會出現突兀與非預期的沒有相關性的使用者動作。

通過+/-1 g範圍的線性測試是相當簡單的。用一個旋轉的腳座，就可以旋轉每個軸，通過並抵抗重力，在每個量測點量測出角度與輸出加速度。1g之外或超出1g，搖動器與速度表變需要。加速計供應商應該可以提供你線性度的統計數據來驗證任何技術手冊的值。另外，更複雜但可能更快速的做法是用交流動作測試與量測整體諧波失真以達直接與線性度的直接關係。

功率消耗

大部份MEMS動作感測器是用在低電壓無線裝置上。降低加速計內的功率消耗可釋放更多的功率預算，達到更加強固的通訊，也使設計的其他部件內的元件更加便宜，電池的壽命也因此更長。低功率消耗元件如ADXL330，在VS = 2。0 V一般使用 200 μA，沒有任何功率循環，能開發出可長時間遊戲的無線控制器，這類控制器可以讓想要用動作來玩的遊戲者在自然且直覺式狀態下無拘無束移動。具有快速開機次數的加速計允許你循環上電使用，卻節省更多的功率，以希望遊戲的人動作的速率開機及取樣。對平順動作的遊戲，100Hz取樣率是建議的基準值，達到50Hz頻寬。

溫度效能

在最常被握在某人手中，動作靈敏的裝置，溫度效能是關鍵的考量點，因為它玩的時間愈長，會愈熱。優異的溫度行為也很重要，因為在任何環境下，要有預期的效能，包括戶外或室內遊戲。甚至於遊戲機有時也被用在低溫下配有影音系統的汽車內。

《圖七　ADXL330 X-軸零g偏壓》

＜註：摘自ADXL330技術手冊＞

影響玩遊戲時溫度效能最大者是在於線性狀態下，0g偏壓如何通過溫度範圍，以及靈敏度的溫度係數。這是0-g輸出電壓，或者本質上是該裝置的直流偏置，它接著被加上使用者的動作信號。許多加速計供應商出版0-g偏壓的「盒裝規格」，聲明其輸出範圍可隨意地行進。有些加速計使用與溫度感測器相關連的數位溫度補償。當這些技術可在範圍內保持偏移，當掃掠過溫度範圍時，時常在輸出會有位階不連續的問題。有時，這些可以是位於25毫g位階上，這等同是在傾斜應用中，超過1度的一個誤差。測試此一效能就像在溫度範圍內拂掠加速器並監控其輸出一樣的基本。這是個被高度建議的測試，可以發現許多意外的資訊。

強固性與自我測試

碰撞，掉落控制器，或甚至有的震動會造成數以千計g重力輸入到加速計中。一顆強固的機械式感測器設計是必須的。像是ADXL330這類產品是專為相同機械架構所設計，用於嚴苛的汽車環境中做為像是車輛穩定性控制功能。假如有些地方不正常，好的MEMS感測器應該要有全機械與電子式自我測試特性，在遊戲者拿起控制器之前協助診斷問題。

展望

本文探究了標準遊戲控制器對遊戲直覺造成限制，以及玩家需學習特殊操控技巧的例子，並討論了遊戲中動作的歷史，以及這些早期成果開始將真實世界的經驗轉換成虛擬世界遊戲。在直覺式遊戲中最新的新聞，這些遊戲中動作正在促成新一代設計的實現。在結合動作到未來技術的設計上，本文也說明其基礎與建議，讓遊戲更具直覺性與趣味性，文中也說明會直接影響遊戲效能，價格與可靠性的特殊參數，並提供給驗證測試這些參數的方法。

操作原理

任天堂、微軟、索尼(Sony)或其他公司所用的動作感測器主要的類型都是三軸微機械加速計。加速計用以量測在一質量或物體上隨加速而變化的各種東西，從壓阻元件到差動電容。在任天堂Wii主控制器中的感測器─ADXL330，是一個具有完整3軸加速量測系統的單晶片IC。該元件可量測出在三軸內的差動電容。它包含一個多晶矽表面微機械感測器與信號調節電路，用以實現開放迴路的加速量測架構。感測器是一種植基於矽晶圓頂部的一種多晶矽表面微機械結構。多晶矽彈簧從晶圓表面上方懸吊起該結構，提供抗加速力的阻力。使用一顆包含獨立固定片以及附加到移動質量片的差動電容來量測結構的偏移。輸出信號為類比電壓，與加速度成等比例。

（作者為美商亞德諾公司微機械產品部應用及產品需求工程師）