CN101229432B

CN101229432B - 一种动作仿真控制方法及其系统

Info

Publication number: CN101229432B
Application number: CN 200810000930
Authority: CN
Inventors: 安萍; 付阳; 李科佳; 赵瑜; 张海霞; 李志宏; 郝一龙
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: CN101229432A

Abstract

本发明公开了一种动作仿真控制方法及其系统，其方法为利用信号采集器采集运动对象的运动信息，将其转换为动作图形后与定义的动作图形进行匹配，发送匹配成功的动作图形对应的控制指令控制游戏中的角色动作，实现仿真；本发明的一种动作仿真控制系统包括一硬件系统用于动作信息的采集和传输，一软件系统，用于动作信息的处理。本发明的仿真系统不仅可靠性强，成本低，而且体积小，设计灵活。

Description

一种动作仿真控制方法及其系统

技术领域：

本发明涉及一种动作仿真控制方法及其系统，尤其涉及一种由MEMS(微机械电子系统)微型加速度计等集成电路芯片和相应软件构成的人机交互的动作仿真控制方法及其系统。

背景技术：

目前，电子类游戏已经成为人们尤其是青少年娱乐的主要方式，然而简单的长时间固定手柄操作不仅对人体健康不利，而且游戏瘾也引发了很多社会问题。而其他类健身方式也无趣味性，仅有的如跳舞毯有健身功效的娱乐品种由于控制方式的局限，其趣味性和便携性很难令人满意。

●游戏杆、鼠标、键盘

一方面，游戏杆、鼠标、键盘等对游戏机、手机或电脑等硬件的控制，都是直接向电脑输入一定的系统能够识别的数字信息，来控制电脑或操作游戏。传统的操作需要所有人事先必须熟悉所有键和游戏设置中的操作规则方可正确游戏，这对于老人和孩子都比较困难，对于年青人也需要花费不少的时间去适应。另一方面，游戏杆、鼠标、键盘等对电脑或游戏机的控制都必须玩家固定姿势并用手不断地敲击完成，一段时间后会使人产生疲劳，长期以这种方式娱乐，会引起很多健康问题，如血流不畅或腰椎颈椎僵硬等。用这种方式玩游戏还会产生一些社会问题，如青少年玩家往往是控制力薄弱，对游戏容易上瘾，这不仅对其健康造成很大危害，而且这种游戏方式往往使人沉迷其中，削减控制力，甚至造成很多青少年放弃学业，对社会和家庭造成很大危害。目前对于游戏上瘾的社会问题的解决方法主要是软件锁，这是一种被动控制游戏时间的方式，玩家通过也可以反复开机轻易破解，目前还没有一种能够主动控制游戏时间的方法。

●跳舞毯

这种技术采用了压力传感系统采集信号和控制信号，但是信号采集单调、软件适应性差，而且不便携带，占用空间也很大。如何实现一种既简便有有利于人们身体健康的动作仿真系统成为研究热点。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种人机互动的动作仿真控制系统。

本发明集理念创新、技术方法创新和产品创新为一体，实现了一种由动作对电脑(手机、PDA、TV、MP4/MP3)等硬件载体的控制，从而对游戏软件或其他软件的控制，最终实现了人机动作交互。其中：手机、PDA、TV、MP4/MP3以及电脑都可以用无线接口传输信号。

本发明是一个由MEMS微型加速度传感系统、I²C数据总线实现的一个小体积的动作提取和传递系统，其控制系统和游戏都是由PC机等硬件介质完成。微型加速度计感知规定的身体某个特定动作的加速度后，通过I²C数据总线将信号传递给PC机等硬件介质，再通过编写的软件处理，将动作信号转换为进一步的动作编码，成为计算机可以识别的并可和游戏软件实现链接的指令，最终实现对游戏中人物动作的控制。

硬件系统

本系统要实现的功能有人体动作的信号采集和信号传输。由两种模块实现这些功能：一个基本控制模块和若干信号采集模块。如图1所示。对于PC的动作仿真系统如图2所示，信号采集模块由MEMS微型加速度计和少量耦合电容组成。其中MEMS微型加速度计实现信号感应和采集，并将信号转换为I²C信号由“SCL”和“SDA”两个端口传输给基本控制模块的I²C总线，传感器的“VDD2”和“VDD3”端口同时接入VDD2的电源总线，这个电源总线的电压由稳压模块的输出电压VDD2提供，同时在“VDD2”和“VDD3”接口的另一端通过退耦电容接地。基本控制模块包括信号转换模块USB-I²C、信号电平转换模块PCA9306、稳压模块LM1117以及若干耦合电容和上拉电阻，实现控制信号的转换和传递。其中，信号转换模块USB-I²C实现动作信号由I²C总线信号向游戏硬件载体的USB总线信号的快速互换，同时也为整个系统提供5V的工作电压；I²C总线信号从信号转换模块的“SCL和SDA”端口进入，从信号转换模块的USB端口输出给游戏硬件载体，同时游戏硬件载体通过USB线给信号传递模块提供5V的电压，并由信号传递模块的“VCC”端口直接输出给稳压模块的“Vin”端口和通过上拉电阻提供给信号电平转换模块的“EN”和“VREF”端口以及信号转换模块和信号电平转换模块之间的SCL和SDA数据总线；在信号转换模块的“VCC”端口接入退耦电容后接地。信号电平转换模块实现I²C总线信号(SCL2、SDA2)电平由5V到3V(SCL1、SDA1)的转换，其端口“SCL2”“SDA2”分别和信号转换模块的“SCL”“SDA”端口连接，“EN”和“VREF2”通过上拉电阻和信号转换模块的“VCC”端口连接，同时通过退耦电容和地连接，“SCL1”“SDA1”端口分别和传感器的“SCL”“SDA”端口连接，“VREF1”和传感器的“VDDD2”端口连接，为传感器提供3V的电压，“VREF1”还通过上拉电阻和信号电平转换模块的“SCL1”“SDA1”端口相连，为信号电平转换模块和传感器之间的SCL和SDA总线提供3V的电压。稳压模块将USB的5V电压(Vin)转换为加速度计以及信号电平转换模块所需要的3V工作电压(Vout)；5V电压由信号转换模块提供，从“Vin”端口接入5V电压同时接入退耦电容后接地，从“Vout”端口输出3V电压，并接入退耦电容后接地，另一端口“GND”接地。

这种实现动作采集和信号传输的动作仿真系统还可以用单片机实现，但是与单片机实现此系统的区别在于，图2中的设计将进行信号控制的CPU推向了硬件载体，即此系统巧妙地共用了硬件载体的CPU，这样只需要设计软件安装在硬件载体上而无需在系统中添加单片机并进行相应的软硬件设计，这种设计不仅节约了单片机成本和软硬件修改的成本，而且使设计变得轻巧灵活，同时相同的设计更易在多种硬件介质上实现。如图2所示，此系统的设计还采用了基本信号采集模块“无限”组装的设计理念，用户可以根据游戏的复杂程度不同，在基本控制模块上通过增加基本信号采集模块的数量即可，最终实现适用几乎所有游戏(包括网络游戏)的动作仿真系统。

软件系统

软件系统包括动作生成模块、动作匹配模块、动作转换模块；动作生成模块用于将采集的运动信息生成动作图形；动作匹配模块用于将生成的动作图形与定义的运动图形进行匹配；动作转换模块用于将动作图形转换为对应的控制指令。具体的，加速度计收集人体各部位一系列加速度信号后，通过动作采集和传输，在PC或其他硬件介质上产生一系列I²C的信号数据，将这些数据分析并制图后，形成一定的波形信息(包括幅度，相位，频率等)，此即软件的动作生成模块；之后对这些波形信息进行处理并生成的一定的动作图形，在使用中，通过比较动作生成后的图形与软件中定义的标准的动作图形，判断此动作是与哪个标准图形匹配，即动作匹配模块；之后将匹配成功的动作图形转换为软件中设定的与标准动作图形对应的动作控制指令，并作为软件的输出传递指令给游戏硬件载体的软件系统，从而实现相当与键盘、鼠标或游戏机外挂设备对游戏的控制。这种通过在软件设计中完全定义动作波形和动作采集波形相比较的方法实际上是一种新型的有限状态机模型。此状态机模型中，首次提出动作的穷举描述，即标准的基本动作的定义和复杂动作的定义，以及相应的波形信息描述；动作识别和判断完成后，通过软件的接口函数(Windows API函数)将指令发送给游戏硬件载体的操作系统，由此将动作信号转换为预先定义的与键盘/鼠标扫描码相同的信号传递给操作系统，最终实现动作控制系统替代标准输入设备的功能。

每隔一定时间(几十ms)身体上各处加速度计感应加速度值(X轴，Y轴，范围+/-2g，I²C格式)---->通过转换芯片转为USB信号，由电脑程序采集---->程序将本次采集的数字信号追加到之前的信号上，更新代表身体各点运动情况的速度和加速度波形---->利用模式识别算法将其与事先定义的各个动作的标准波形进行比较---->如果匹配，则通过接口函数向操作系统发送模拟按键或者鼠标信息，实现标准输入设备的功能，再进入下一循环---->不匹配则直接进入下一循环，从头开始。如图3所示。

本发明的软件设计采用基本人体动作完全定义法，这种完全定义法一种全新的设计理念。考虑到游戏中动作的复杂程度不同，为了体现产品的兼容性，在此发明的软件设计中我们采取了完全动作定义法，即1)将所有人体动作简化为几种基本动作图形，每种图形对应相应的动作指令；2)将信号采集系统采集的信号通过模式识别系统形成图形；3)将所定义的基本动作图形与模式识别系统形成的图形进行匹配，发送匹配成功的动作图形对应的控制指令；同时通过这些基本动作的逻辑组合实现更为复杂的能够同时满足简单控制和复杂控制的软件。如：图4所示，实现了包含所有基本动作的控制体系，从而解决了不同游戏需要修改系统软件动作的问题，即一套系统便可满足几乎所有游戏软件的控制需要。此控制体系放在在软件部分完成，这样既简化了硬件，又使系统易于升级。

另外，由于控制功能不是采用对游戏原码的更改，而是致力于传统控制形式的替代上。即，用特定的动作信号转换为能够替代键盘等输入方式的控制信号和PC等硬件介质通讯，从而实现对软件的控制。

本发明采用的技术方案：

一种动作仿真控制方法，其步骤为：

1)定义运动对象的动作图形并编写对应的控制指令；

2)利用信号采集器采集运动对象的运动信息；所述信号采集器为微型MEMS双轴加速度计；

3)将采集的运动信息生成动作图形；

4)将生成的动作图形与定义的运动图形进行匹配，发送匹配成功的动作图形对应的控制指令控制游戏中的角色动作，实现仿真；若匹配未成功，则重复步骤2)～4)。

所述各种运动包括但不限于下列一种或几种运动：静止、前跑、后跑、上跳、下蹲、投子弹。

所述的方法中采用有限状态机模型生成动作图形并与所定义动作图形进行匹配。

所述3)中将所述运动信息转换为波形信息后生成所述动作图形。

一种动作仿真控制系统，包括一软件系统和一硬件系统；其特征在于所述硬件系统包括信号采集模块、信号转换模块、信号电平转换模块、稳压模块和游戏硬件载体；

所述信号采集模块与所述信号电平转换模块通过I²C数据总线连接；

所述信号电平转换模块与所述稳压模块通过数据线连接；

所述稳压模块与所述信号转换模块通过数据线连接；

所述信号电平转换模块与信号转换模块通过I²C数据总线连接；

所述游戏硬件载体与所述信号转换模块通过信号接口传输信号；

所述软件系统存于所述游戏硬件载体中，包括动作生成模块、动作匹配模块、动作转换模块；

所述动作生成模块用于将采集的运动信息生成动作图形；

所述动作匹配模块用于将生成的动作图形与定义的运动图形进行匹配；

所述动作转换模块用于将动作图形转换为对应的控制指令。

所述信号转换模块为USB-I²C转换芯片，所述信号电平转换模块为PCA9306芯片，所述稳压模块为LM1117稳压芯片，信号采集模块为微型MEMS双轴加速度计，所述信号接口为USB接口。

所述动作转换模块包括但不限于下列一种或几种转换模块：静止转换模块、前跑转换模块、后跑转换模块、上跳转换模块、下蹲转换模块、投子弹转换模块。

所述游戏硬件载体包括但不限于下列游戏机硬件载体的一种或几种：电脑、手机、PDA、TV、MP4、MP3。

本发明的积极效果

针对游戏杆、键盘、鼠标等传统控制形式的局限，本发明采用新型的MEMS微型加速度计实现动作仿真控制，在控制形式上开拓了新的领域，不仅比传统的控制形式更加简单直观，适用人群更广，而且志在解决传统控制形式对人的限制及由此引发的诸多健康问题和游戏上瘾的社会问题，同时也增加趣味性。硬件设计上采用只替代传统控制形式的方法，并不触及游戏等软件本身代码，这样控制形式的更新换代容易实现，而且适用于所有新旧游戏。

另外，采用MEMS新型微加工技术实现的加速度计结合集成电路仿真控制不仅可靠性强，成本低，而且体积小，设计灵活。趣味性、便携性、控制能力和游戏兼容能力都远远超过跳舞毯等旧式简单的动作控制系统。

附图说明：

图1对PC的动作仿真系统功能结构图

图2对PC的动作仿真系统电路图

图3软件部分功能实现框图

图4人体动作完全定义法实现的软件系统

图5人体运动控制信号检测结果(分别对应前跑，后跑，前跳，后跳)

图6动作仿真系统应用实例

图7动作仿真系统动作模型

(a)静止 (b)投(子弹) (c)上跳 (d)前跑 (e)后跑

具体实施方式：

我们将动作仿真系统应用于对风靡一时的超级玛丽游戏的控制中。

1)在超级玛丽中，我们对游戏的多种动作及动作组合进行了抽象分析，总共有六种动作状态(静止、前跑、后跑、上跳、下蹲，投子弹)，我们在设计中用2个双轴加速度计实现了此六种动作。如图6所示，其中双轴加速度计1为腰部位置，2在手腕上。加速度计本身定义的X轴和Y轴对应于图上的坐标，分别感应对应方向上的加速度，与图5中的测试结果对应。双轴加速度计感知规定的身体某个特定动作的加速度后，通过I²C数据总线将信号传递给PC机。

2)程序采用有限状态机模型，经过多次测试校准后提取出合适动作信号分别对应各动作；通过编写的软件处理，将动作信号转换为进一步的动作编码，成为计算机可以识别的键盘指令，最终实现对游戏中人物动作的控制。随着玩家的运动，程序在这些状态间随玩家跳转，实现玩家对游戏的控制。

·部分简单动作的详细描述：

(1)前跑仿真：

腰间加速度计X轴检测到初始向前较大加速度，同时Y轴感受到持续的上下波动的加速度，如图7(d)所示，即表示游戏者在向前跑动。每20ms读取一次加速度数据，读出的加速度数据每轴有效位为12Bit，范围是+/-2g。通过转换芯片将加速度值转为USB信号，由电脑程序采集---->程序将本次采集的数字信号追加到之前的信号上，更新代表身体各点运动情况的速度和加速度波形---->利用模式识别算法将其与事先定义的前跑动作的标准波形进行比较---->如果匹配，则通过接口函数向操作系统发送模拟按键或者鼠标信息，实现标准输入设备的功能，再进入下一循环---->不匹配则直接进入下一循环，从头开始。如图3所示。

(2)上跳仿真：

腰间加速度计Y轴感受到向上较大的加速度。如图7(c)所示，即表示游戏者在向上跳动。每20ms读取一次加速度数据，读出的加速度数据每轴有效位为12Bit，范围是+/-2g。通过转换芯片将加速度值转为USB信号，由电脑程序采集---->程序将本次采集的数字信号追加到之前的信号上，更新代表身体各点运动情况的速度和加速度波形---->利用模式识别算法将其与事先定义的上跳动作的标准波形进行比较---->如果匹配，则通过接口函数向操作系统发送模拟按键或者鼠标信息，实现标准输入设备的功能，再进入下一循环---->不匹配则直接进入下一循环，从头开始。如图3所示。

(3)投子弹仿真：

手臂加速度计X轴检测到先正向后负向的较大加速度。如图7(b)所示，即表示游戏者在投子弹。每20ms读取一次加速度数据，读出的加速度数据每轴有效位为12Bit，范围是+/-2g。通过转换芯片将加速度值转为USB信号，由电脑程序采集---->程序将本次采集的数字信号追加到之前的信号上，更新代表身体各点运动情况的速度和加速度波形---->利用模式识别算法将其与事先定义的投子弹动作的标准波形进行比较---->如果匹配，则通过接口函数向操作系统发送模拟按键或者鼠标信息，实现标准输入设备的功能，再进入下一循环---->不匹配则直接进入下一循环，从头开始。如图3所示。

●应用设置

每20ms读取一次加速度数据，读出的加速度数据每轴有效位为12Bit，范围是+/-2g，经实地测试满足游戏动作控制的要求。游戏控制部分在收到加速度数据后，从中识别出人每种运动(跑，跳，投)等的加速度波形模式，然后通过Windows API函数发送按键信息给游戏程序超级玛丽。

在将来的版本里，程序将扩展灵敏度自适应，实时校准，通用游戏控制等功能，进一步增强了实用性。

Claims

1.一种动作仿真控制系统，包括一硬件系统和一软件系统；其特征在于

所述硬件系统包括信号采集模块、基本控制模块和游戏硬件载体，所述基本控制模块包括信号转换模块、信号电平转换模块、稳压模块；

所述信号电平转换模块与所述稳压模块通过数据线连接；

所述稳压模块与所述信号转换模块通过数据线连接；

所述动作生成模块用于将采集的运动信息生成动作图形；

所述动作转换模块用于将动作图形转换为对应的控制指令。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述信号转换模块为USB-I²C转换芯片，所述信号电平转换模块为PCA9306芯片，所述稳压模块为LM1117稳压芯片，所述信号采集模块包括微型MEMS双轴加速度计和耦合电容，所述微型MEMS双轴加速度计的VDD端通过所述耦合电容与接地端连接，所述信号接口为USB接口。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述动作转换模块包括但不限于下列一种或几种转换模块：静止转换模块、前跑转换模块、后跑转换模块、上跳转换模块、下蹲转换模块、投子弹转换模块。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述游戏硬件载体包括但不限于下列游戏机硬件载体的一种或几种：电脑、手机、PDA、TV、MP4、MP3。