王懌　董珍珍

摘要：

利用Unity3D作為游戲引擎構建交互平臺，以c#語言為橋梁連接Leap Motion、Kinect、網(wǎng)絡攝像頭等交互設備，實現(xiàn)體感交互，尋求氣象科普體感游戲設計方案，對氣象科普形式進行多元化、多感官、新穎互動的氣象科普創(chuàng)新探索實踐，力求實現(xiàn)氣象科普從“被動科普”到“主動科普”的轉(zhuǎn)變。

關鍵詞：

體感游戲 氣象科普 模型 手勢

前言

每年我國因氣象災害而造成的經(jīng)濟損失高達2000-3000億元人民幣。如何有效地進行氣象知識普及，提高社會民眾氣象防災減災意識十分必要。然而，傳統(tǒng)的氣象科普方式往往存在一定的局限性，難以激發(fā)公眾主動參與、學習和探索的熱情，氣象科普預期目標難以實現(xiàn)?；谖覈鴼庀笾R普及率不高的現(xiàn)狀，氣象科普方式進行創(chuàng)新勢在必行，在科普形式的互動性、新穎性和娛樂性等方面進行體感交互設計，使“被動科普”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃涌破铡?。其中，體感游戲是體感交互很好的表達方式。體感游戲的出現(xiàn)為氣象科普增添了新的形式。體感游戲是一種通過人的肢體動作進行操作的新型電子游戲，無需鍵盤、鼠標等設備，人們用肢體進行各種動作，就能夠與周邊的某種裝置或環(huán)境產(chǎn)生互動，人機融為一體，讓玩家得到身臨其境的游戲體驗。目前我國尚無氣象科普相關的體感游戲，如用體感游戲傳載氣象科普的內(nèi)容，將不失為氣象科普形式的一種創(chuàng)新嘗試。

1.氣象科普體感游戲的可行性

1.1體感設備分析

隨著數(shù)字媒體技術的迅猛發(fā)展，人機交互趨向于自然的交互方式。利用計算機圖形學技術，把體感傳感設備采集的信息轉(zhuǎn)化為骨骼節(jié)點數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)導入到計算機，最終實現(xiàn)人們可以通過肢體動作與計算機終端的交互，從而實現(xiàn)某種功能。Wii、Kinect、Xbox360等體感設備，可以捕捉人體的軀干動作，例如彈跳、揮手、彎腰等行為，將其信號反饋給計算機進行相關互動。氣象科普游戲可以通過不同動作進行氣候轉(zhuǎn)換。前不久面世的Kinect2可以識別人臉面部表情，氣象科普游戲可利用面部表情的變化來實現(xiàn)游戲內(nèi)氣象的變化，譬如微笑可以轉(zhuǎn)變?yōu)榍缣?，沮喪可以轉(zhuǎn)變?yōu)殛幪斓取Ｈ缃?，Leap Motion等手勢識別設備靈敏度大大增強，人們可以通過簡單的手勢去實現(xiàn)與電腦的互動。它的出現(xiàn)使基于手勢的體感交互成為可能，人機交互中充分發(fā)揮手的靈巧性，交互更自然。可以用簡單的手勢實現(xiàn)氣象元素強度和方向的變化。例如，用手所指方向表示風向，伸出的手指數(shù)表達風力等。在LeapMotion發(fā)布同年，Oculus Rift VR公司發(fā)布了虛擬現(xiàn)實頭盔——Oculus Rift。Oculus Rift是一款具有代表意義的頭戴式全景頭盔，該設備中安裝有可以控制視角的陀螺儀，可大幅度地提升玩家的游戲沉浸感。通過此設備，人們不再需要通過裸眼3D技術，便可直觀地獲得在3D游戲環(huán)境中最好的體驗。與Leap Motion以及Oculus Rift不同，Arduino在氣象科普游戲中為輸出設備。Arduino是一款對用戶開源的電子平臺。使用者可以通過使用Arduino lDE對Arduino編寫代碼。Arduino可以通過電腦給出的指令，完成亮燈、放音樂、開啟風扇等一系列功能，也可通過按鈕、光敏電阻、熱敏電阻等一系列的傳感器對計算機進行反饋。在氣象科普游中，玩家可以通過選擇不同的氣象，控制不同的天氣等級，從而使電腦將信號發(fā)送給Arduino，觸發(fā)一些開關。例如，玩家選擇風，隨后Arduino將打開風扇開關并控制風扇轉(zhuǎn)速，讓玩家感受到相應風力。

1.2軟件技術分析

Unity3D作為一款游戲引擎，可以讓使用者輕松簡單地構建各類游戲、建筑動畫等內(nèi)容，是款多平臺的游戲開發(fā)工具。此引擎不但可以發(fā)布Windows系統(tǒng)的游戲，還可發(fā)布到lOS、Linux等操作系統(tǒng)環(huán)境中，甚至可以跨平臺地與手機、Play Station、XBOX360等設備無縫對接。Unitv3D是可以構建體感交互氣象科普游戲較為理想的交互平臺。通過計算機語言的輔助，unity3D可與諸多的體感交互設備，如：Leap Motion、Kinect等設備相結合，從而開發(fā)不同以往的具有多感官的體感交互游戲。

在Unity3D中，主要使用的腳本語言有C#、JavaScript以及Boo等。c#語言在c語言、c++語言和JAVA語言的基礎上發(fā)展而來，其編寫方式更為簡單，最被現(xiàn)代研發(fā)者青睞。以c#語言為橋梁，Unity3D連接了LeapMotion、網(wǎng)絡攝像頭等交互設備，實現(xiàn)了手勢操作、增強現(xiàn)實等多感官的游戲互動體驗，從而使人們獲得了更為直觀、身臨其境的感受。當玩家做出象征氣象等級的手勢“數(shù)字1”時，Unity3D引擎根據(jù)Leap Motion體感交互設備以及c#語言對相關手勢進行識別，隨后氣象科普游戲中產(chǎn)生與手勢“數(shù)字1”相對應的一級降雪、降雨或刮風等氣候現(xiàn)象，使人們實時地、更為簡便、直觀地了解氣象知識。

2.氣象科普體感游戲設計的程序

2.1場景模型構建

通過3D建模的方式實現(xiàn)場景以及天氣的構建。建模采用3Ds Max軟件以及Unity3D中的Particle System。場景空間部分利用3Ds Max軟件完成。由于氣象科普游戲應遵循科普的科學性，游戲場景應當使用寫實風格?？墒?，過于寫實的游戲模型往往會出現(xiàn)模型細節(jié)過多、游戲內(nèi)存過大的問題。為了避免玩家與電腦產(chǎn)生交互時會出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，場景空間部分的建模應當采用低面建模的方法，通過材質(zhì)貼圖來彌補細節(jié)的缺失。利用unity3D導入3Ds Max制作好的3D模型，按照不同場景的需求，利用筆刷工具在unity3D中給地面賦予小石塊、草皮、樹木等細節(jié)。skybox：為Unity中制作天空的工具。為了節(jié)省內(nèi)存，游戲場景的天空部分，同樣利用了材質(zhì)貼圖的方法。設計師通過給skybox的每個面附上天空照片貼圖，達到天空制作的目的。

天氣的制作是模型制作過程中的關鍵。因為氣象科普游戲的主要目的是進行氣象科普，所以模型不但要有藝術表現(xiàn)性，還需具備科學性。天氣通過被觀察的方式分為兩種：一是具有明顯物質(zhì)存在的天氣現(xiàn)象，如雪、雨、霧等；二是只可通過環(huán)境觀察得到的，如晴、風等。下面筆者將以雨、雪、風三個天氣為例，闡述模型制作過程。其中，雨與雪模型通過利用unity3D游戲引擎自帶的Particle System完成。Particle System中下分Emission Rate、Speed、Size以及Material等可調(diào)節(jié)參數(shù)。氣象模型以氣象的屬性為參考（例如降雨量）。開發(fā)者通過調(diào)節(jié)參數(shù)，達到模擬氣象的效果。在貼圖選擇過程中，為了達到最真實的效果，開發(fā)者可利用帶透明通道的雨、雪的照片作為天氣的貼圖。風與前兩者模型的制作方法不同，因為雖然風無法直接所見，但是會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響，所以需通過調(diào)節(jié)環(huán)境，如大樹的搖擺等來側(cè)面呈現(xiàn)風級。unity3D游戲引擎中的wind Zone可實現(xiàn)風的制作。wind zone中下分Mode、wind Main、Wind Turbulence等可調(diào)參數(shù)。由于此類參數(shù)得相互調(diào)整，并且需要用unity3D中其他的模型（例如樹）的擺動做參照，才能得到接近于真實的風效果，因此，唯有進行多次嘗試并進行比對才能完成風模型的制作。最終，將所有上述模型設置為Prefab，方便之后利用代碼調(diào)取模型實現(xiàn)手勢識別控制。

2.2手勢識別控制

手勢識別設備如Leap Motion，其3DK為unity3D開發(fā)環(huán)境提供了一套完整的文檔。氣象科普游戲用數(shù)字手勢來控制天氣級別的變化。在研究中發(fā)現(xiàn)，人們所做的數(shù)字手勢“1”至“5”，手指伸直的數(shù)量與其數(shù)字互相對應。在：Leap Motion SDKI中，代碼hand.Fingers.Extended（）可以通過識別手指的指向以及手掌的指向，從而判斷手指是否屈伸。利用該代碼，電腦可以識別伸直的手指數(shù)量，再通過利用if語句來執(zhí)行各類手勢情況下的命令。以“下雨”為例，事先在游戲中利用Partide System制作代表小雨、中雨、大雨的三個Prefab。這些Prefab分別模擬了小雨、中雨、大雨的雨量。玩家在做出不同手勢后，if語句對其手勢進行判定，最終調(diào)用不同的Prefab營造不同天氣等級下的環(huán)境。例如，當玩家做出手勢“數(shù)字3”時，if語句中的條件語句hand.Fingers.Extended（）==3此時為true，其他所有條件語句hand.Fingers.Extended（）==1為false。此時，unity開始執(zhí)行hand.Fingers.Extended0==3條let的執(zhí)行語句。在該if語句作用下，unity調(diào)用了大雨Prefab，從而模擬了大雨的效果。除以上功能外，手勢識別設備還可以識別繞圈、單擊等手勢，氣象科普游戲利用這些手勢代替鼠標操作，豐富了游戲性。

2.3增強現(xiàn)實設計模塊

增強現(xiàn)實技術通過攝像頭，實時地識別事先所定義的圖像，并計算出該圖像所在的位置與所成的角度，在圖片上（或其他位置）生成相應的模型或動畫，最終把虛擬的圖像與現(xiàn)實的影像互相疊加，從而達到虛擬世界與現(xiàn)實世界相結合的目的。近年來，運用增強現(xiàn)實技術的游戲在市場上逐漸增多。例如，肯德基在2014年世界杯期間推出了一款增強現(xiàn)實游戲《肯德基K球吧》。該游戲通過利用AIR技術與手機攝像頭，識別印在卡片上的圖案，在手機中實時生成了球門、草皮等游戲場景。玩家可通過在手機上滑動手指發(fā)射小球，與手機生成的畫面進行互動。氣象科普游戲可運用增強現(xiàn)實技術，通過攝像頭定位角色位置，在玩家的周圍實時生成天氣環(huán)境，給玩家?guī)矸浅ＸS富的科普體驗。

2.4基于Arduino的觸覺觸發(fā)裝置

Arduino在氣象科普游戲中是一個輸出設備。Arduino可以通過利用不同的模塊相互拼接，從而實現(xiàn)不同的功能。Arduino有著輕便、多樣化的特點，且價格不高，這十分有利于推動氣象科普游戲的普及。

Uniduino是Unity Asset商店所售的一款package。Uniduinol即Unify+Arduino，它將unity與Arduino相結合。氣象科普游戲利用Uniduino，實現(xiàn)實時控制Arduino的功能。以刮風關卡為例，使用L9110風扇模塊，將其安裝在Arduino UNO板上。玩家可以利用手勢識別設備通過手勢選擇風力等級，隨后Unity會給Arduino發(fā)出相應指令。L9110風扇模塊得到指令后，以相對應的轉(zhuǎn)速進行轉(zhuǎn)動，讓玩家獲得刮風的感受，從而實現(xiàn)玩家沉浸感的增強以及多感官的體驗。

3.結論

多元化、多感官、新穎互動的氣象科普方式是今后的發(fā)展趨勢。利用體感交互技術和設備將原本枯燥無味的氣象科普知識與游戲相結合，提升氣象科普方式的互動性與趣味性，寓教于樂，必將有助于氣象知識更廣泛而深入的普及。氣象科普游戲在未來的發(fā)展中將會加入更多的感官元素，讓人們可以更加直觀地感受體驗。相信不久的將來，氣象科普的體感游戲能夠在各大氣象科普展覽館中得到普及，改變以往單調(diào)的氣象科普方式。

基金項目：2014年江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目《氣象災害科普中多感官現(xiàn)代傳媒技術的應用開發(fā)與設計》（項目編號：201410300050）研究成果。