sensores 3D en el diseño de juegos intuitivos

Introducción

Un sistema de videojuegos consta de una plataforma, una pantalla, una o varias interfaces de E/S conocidas como controladoresy el software. La plataforma puede ser un ordenador o una consola dedicada; la pantalla, que puede estar alojada con la plataforma, suele ser audiovisual; y los mandos, utilizados para jugar, pueden ir desde el ratón y el teclado, hasta los botones relacionados con el panel, las ruedas de desplazamiento y los joysticks, pasando por los gamepads de dos manos y los dispositivos inalámbricos de movimiento libre que simulan los movimientos físicos del juego.

En los últimos meses, se han presentado nuevas generaciones de sofisticados equipos de juego con sistemas informáticos de alta gama que utilizan procesadores de doble núcleo. Además, los tres nuevos sistemas de consola que actualmente compiten por la atención del mercado tienen más potencia de cálculo y gráfica que muchos ordenadores. Para los jugadores serios, los sistemas multi-GPU (unidad de procesamiento gráfico) las tarjetas de vídeo se consideran una inversión que merece la pena. Entre todos los avances en el procesamiento, los gráficos, el sonido e incluso los juegos, el cambio más importante es la introducción del control intuitivo de los juegos basado en el movimiento. Este cambio está impulsado por una nueva generación de sensores de movimiento de muy bajo consumo construidos con sistemas microelectromecánicos (MEMS), la misma tecnología de acelerómetros que se utilizó por primera vez en la industria del automóvil para la detección de accidentes con airbag. Los controladores de juegos 3D con sensores de movimiento basados en MEMS no sólo influyen en la forma en que se jugarán los juegos, sino que, lo que es más importante, influyen fuertemente en la forma en que se diseñarán los juegos.

Este artículo revisa las capacidades actuales de los sistemas de juego, describe cómo los elementos del juego pueden permitir -o inhibir- el diseño intuitivo del juego, y cómo el hardware de control existente limita el diseño del juego. También se discuten: los principios de funcionamiento de los sensores de movimiento 3D utilizados en la próxima generación de sistemas de juego, cómo la detección de movimiento reduce la curva de aprendizaje tanto para los jugadores novatos como para los expertos, e importantes especificaciones y principios de desarrollo con los que los desarrolladores de juegos deberían familiarizarse.

Elementos de diseño que limitan el juego intuitivo

"Por supuesto, cuando juegas a un juego, lo más cercano al jugador es el mando. Por tanto, el mando debe considerarse una extensión del jugador y no una parte de la consola. Siempre tengo en cuenta la importancia del hecho de que el jugador tendrá mucho más contacto con el mando y la interfaz de usuario [user interface] que la propia consola"

-Akio Ikeda, responsable del hardware del acelerómetro del Nintendo Wii™, en una entrevista con Satoru Iwata, página web de Wiilaunch, verano de 2006.

El argumento de cada juego supone que el jugador tiene algún conocimiento previo de los efectos -y quizás de la estrategia y la táctica- asociados a la toma de una carta, al lanzamiento de un dado o a la pulsación de un botón. A menudo esto se sugiere al comprador en la "edad recomendada" del juego en el embalaje. Por ejemplo, el juego blackjack (o "21") supone que un jugador principiante tiene, o puede adquirir fácilmente, los siguientes conocimientos:

cómo añadir

el concepto de comparación, como "menos que", "igual a" y "mayor que

la familiaridad con las cartas y sus valores numéricos; en particular, la carta del as, que no tiene etiqueta numérica y puede elegir entre dos valores en la baraja.

Una vez que los jugadores empiezan a pensar en el blackjack como un juego de dinero, aprenden los riesgos y las recompensas, la comparación con la "mano" del crupier, ya sea 21 u otro valor, y tácticas como doblar, pasan de principiantes a expertos. En el blackjack, los diferentes formatos de interacción con el usuario no cambian el juego en sí, ya sea una baraja física o la posición de un ratón en un ordenador. El efecto de la acción "¡Pégame!" es siempre el mismo, y el objetivo es siempre 21.

Los entornos virtuales de los juegos pueden cambiar radicalmente la forma en que un jugador interactúa con un juego, especialmente cuando se trata de velocidad y movimiento dimensional. La naturaleza de la interacción entre el controlador y la interfaz de usuario (UI) ha impuesto históricamente restricciones poco naturales a la experiencia del usuario. Por ejemplo, los pases en el videojuego básico U.S. Football, en el que un jugador elige lanzar una pelota a uno de los tres jugadores virtuales, utilizando un teclado o un joystick (Figura 1).

Los controladores e interfaces estándar sustituyen débilmente las relaciones espaciales naturales intuitivas. La figura 1 muestra una progresión de lanzamiento de una pelota (área verde en (a)) a uno de los tres jugadores, combinada con botones X, Yy Z. En (b), el lanzador elige hacer un pase al jugador de la derecha, utilizando el Z. En la figura (c), la caja del lanzador ya no tiene la pelota, y el jugador Z (ahora verde) recibió el lanzamiento. Esto es, por supuesto, muy diferente de un juego en un campo real: cuando pasas a un compañero, no consideras el movimiento de un dedo sobre un Z simplemente pasarías físicamente el balón a la derecha. Así que alguien que practica muchos deportes, pero que no ha jugado en un entorno virtual, tendrá que aprender a asociar el lanzamiento con la pulsación del Z (en esta versión del juego).

Así, en lugar de transferir su propia experiencia de la vida real al mundo virtual, el jugador del juego debe aprender habilidades específicas de la plataforma para poder jugar. Esto dificulta al jugador novato y limita el público comercializable de un juego a aquellos que quieren dedicar tiempo a aprender una nueva habilidad que no es necesariamente útil en el mundo real. Casi cualquier persona que cumpla los criterios establecidos para el blackjack puede sentarse en una mesa de blackjack en cualquier lugar y jugar por primera vez, pero muy pocos jugadores inexpertos de juegos electrónicos podrían coger un gamepad como principiantes y jugar inmediatamente al fútbol electrónico contra otro jugador sin sentirse nerviosos o superados. La diferencia es que las habilidades físicas que requiere el blackjack en cualquier medio son sencillas, intuitivas, fáciles de aprender y divertidas.

Diseño para el juego intuitivo: Uso histórico del movimiento

"El sensor de movimiento ha hecho que su uso sea intuitivo y fácil de entender, lo que va muy bien con nuestras videoconsolas portátiles. Creemos que una amplia gama de grupos de edad también disfrutará jugando a "Yosshie-no Banyu-Inryoku"

-Satoru Okada, Director General del Departamento de Investigación e Ingeniería de Nintendo, citado en el comunicado de prensa de Analog Devices que presenta iMEMS ADXL202¹Yosshie-no Banyu-Inryoku aplicación, 2004.

La mayor novedad de hoy en día en los juegos es la incorporación de la detección de movimiento en el diseño de las consolas y los juegos de consumo. Ambos Nintendo Wii™ y Sony PlayStation 3los juegos cuentan con sensores de movimiento MEMS. El mayor impactosin embargo, el hecho de que la detección de movimiento sea ahora la base del propio juego tiene un impacto en el juego diseño así como para señalar un conjunto de movimientos en un formato de juego existente. Nintendo utiliza un ADXL330 de Analog Devices² tres ejes iUn sensor MEMS para dotar al revolucionario mando "Wii ™-Mote" de capacidad de detección de movimiento en 3D.

Sin embargo, no es la primera vez que se utilizan sensores de movimiento MEMS en el diseño de los controladores. Microsoft y Logitech fueron pioneros en la idea en 1998 con el SideWinder^®Freestyle Pro y WingMan Gamepad Extreme ambos equipados con un controlador de doble eje ADXL202 de Analog Devices iSensor MEMS. El Freestyle Pro ganó el premio al "Dispositivo nuevo más prometedor" en la Electronic Entertainment Expo de 1998.

En esta fase de desarrollo del juego, pocos diseñadores han utilizado la detección de movimiento como parte intrínseca del diseño del juego. Dos ejes detección de inclinación simplemente sustituyó al D-pad (pad direccional) si el usuario quería controlar el juego con la inclinación en lugar de pulsar botones. Y la inclinación podría hacer cosas revolucionarias para mejorar la experiencia de juego: al inclinar el mando hacia atrás, podrías hacer un caballito en una moto en un juego de conducción. En un simulador de vuelo, al inclinar el mando a la izquierda y a la derecha, un caza X-wing de Star Wars podría lanzarse a la izquierda o a la derecha siguiendo tu movimiento. En los juegos de conducción y vuelo, los experimentos que dependen en gran medida del D-pad para el control son los que más se benefician de este tipo de control de movimiento basado en la inclinación. Pero el concepto, que no es parte integral del diseño del juego, no ha encontrado gran tracción entre los consumidores. El aumento del coste del mando de movimiento y la falta de verdaderas experiencias basadas en el movimiento han limitado el atractivo de estos productos de Microsoft y Logitech.

Nintendo fue la primera en codificar un hardware y un concepto de juego con detección de movimiento, en su Yosshie-no Banyu-Inryoku y Koro-Koro Kirby (Kirby Tilt 'n' Tumble) Títulos de GAMEBOY. Estos juegos innovadores demostraron que había un mercado para los juegos intuitivos basados en el movimiento. Ambos incorporaban acelerómetros ADXL202 en el propio cartucho del juego, utilizando la inclinación para mover al personaje de forma comprensible para muchas edades y niveles de habilidad Koro-Koro Kirby utiliza el principio de una canica sobre una mesa basculante, un juguete con el que muchos niños y adultos han jugado en la vida real. Al trasladar esta experiencia de juego al mundo virtual, Nintendo no exigió que se adquirieran nuevas habilidades, ya que el jugador controla a Kirby, la canica, con una inclinación física. El acelerómetro MEMS consume tan poca energía que podría utilizarse como control principal durante la duración del juego en una aplicación de mano, con poca carga de la batería. El coste de añadir movimiento mediante acelerómetros IC también había llegado a un punto en el que no repercutiría en los precios de consumo. Estos títulos atraían a un amplio público, eran intuitivos, fáciles de aprender y divertidos. Se vendieron cientos de miles de ejemplares en todo el mundo.

Diseño para juegos intuitivos: desarrollo de aplicaciones basadas en el movimiento

"Como ya había trabajado en productos que utilizaban sensores de aceleración, tenía una idea general de las características y limitaciones que podía esperar de esta tecnología. A partir de esta experiencia, ya sabía que necesitaríamos un punto de referencia absoluto cerca del televisor para mejorar la fiabilidad del control.

-Akio Ikeda, en una entrevista con Satoru Iwata, sitio web de lanzamiento de la Wii, 2006.

El primer paso en el diseño de cualquier juego es generar la trama principal y el concepto de usuario. Esto incluye el mundo virtual que creará un diseñador de IU, los objetivos de cada jugador y la interacción del jugador con la IU. El elemento más fundamental del diseño intuitivo es capturar una actividad que alguien ya está haciendo en el mundo real y llevarla al mundo virtual, donde pueden existir la creatividad, los diferentes retos y la fantasía, pero donde el jugador no necesita aprender nuevas habilidades para jugar. La traducción de la actividad física en control comienza con un sensor de movimiento. Hay unas cuantas categorías generales de formas de utilizar los datos de los sensores en el diseño de juegos, pero todas ellas comienzan con los fundamentos de cómo funcionan los sensores de movimiento, en particular los acelerómetros [See Principle of Operation.]

Lo más importante es recordar que los acelerómetros miden la aceleración. El acelerómetro puede medir cualquier cosa que incluya movimiento, incluidas las vibraciones y los choques, por lo que cada aplicación tiene diferentes requisitos y limitaciones del acelerómetro.

Categorías de aplicaciones de juegos de movimiento

Umbral de inclinación simple

Kirby Tilt 'n' Tumble es un excelente ejemplo del uso de los umbrales de inclinación. Utilizar la inclinación equivale a utilizar el campo gravitatorio de la Tierra como un 1-g aceleración de referencia a lo largo del eje vertical (Z) (dependiendo de la ubicación, g es de unos 9,8 m/s)²o 32 pies/s²). Los ejes X e Y experimentarán cada uno 0 g cuando la unidad está perfectamente nivelada (Figura 2).

Cuando el jugador inclina el mando, el diseñador del juego quiere saber si la cantidad de inclinación ha superado un umbral determinado. El método utilizado para medir la inclinación es una relación trigonométrica inherente. Las salidas X e Y de un acelerómetro en función de los ángulos de inclinación, θ_x y θ_y (los ángulos que forman los ejes X e Y con la horizontal), son proporcionales a g sin θ_x y g sin θ_y.

En un juego como Inclinación y volteodonde el jugador intenta imitar los efectos de la gravedad real, no es necesario conocer los ángulos reales (calculados mediante funciones trigonométricas inversas); las salidas del dispositivo modelan físicamente las fuerzas que afectan al movimiento de las bolas virtuales.

Para este conjunto, que sólo depende de los ángulos de los ejes X e Y con respecto a la horizontal, no se necesita un acelerómetro de tres ejes. De hecho, con los ejes X e Y horizontales y el eje Z vertical, la salida Z del dispositivo es proporcional al coseno de la desviación angular, θ_zde la vertical - no es muy útil en esta aplicación sin un procesamiento adicional.

Históricamente, Kirby utilizaba un acelerómetro XY. Microsoft Sidewinder Freestyle Pro utilizó un sensor XY para medir la inclinación y controlar la velocidad de la acción izquierda-derecha-arriba-abajo en el D-Pad. Si el sólo necesita inclinación, un acelerómetro de 2 ejes es la alternativa barata.

Reconocimiento de gestos : Aceleración generada por el usuario

¿Te interesa algo más que la medición de la gravedad? Juegos como Tenis Wii Sportstal y como se presentó en la Cumbre de Medios y Negocios E3 2006, utilizan un movimiento generado por el jugador que supera con creces la aceleración de la gravedad. Para aplicaciones de este tipo, el ADXL330 tiene un rango de medición mínimo de ±3g en cada eje. Por desgracia, un concepto de juego que implique un movimiento de alta velocidad, como un swing de golf, podría superar el rango de medición de muchos acelerómetros de baja aceleración. Para tener una idea de la aceleración de una actividad, si consideramos que el brazo gira en círculo alrededor del cuerpo, obtenemos la aceleración angular :

A = v²/r

con componentes en las direcciones x, y y z. Si la aceleración máxima supera temporalmente el rango de medición del dispositivo, las opciones de diseño incluyen el uso de un acelerómetro que tenga un rango máximo mayor, pero que sacrifique la resolución, o la simulación de la condición de sobrecarga, que requiere una medición de cuándo empieza la sobrecarga y cuándo termina. Esto requiere un rendimiento muy lineal en todo el rango, hasta la saturación.

Los movimientos generados por el usuario son difíciles de modelar, ya que los jugadores humanos tienen diferencias anatómicas y se mueven intuitivamente de formas diferentes con la misma intención. Los desarrolladores de juegos necesitan muchas pruebas y ajustes para modelar esta interacción con éxito. Grabar una gran variedad de movimientos y generar algoritmos y umbrales para que coincidan con los movimientos en un modelo comprobable ha demostrado ser el enfoque más productivo.

Medición de la posición: Integración de la aceleración

Una cuestión difícil a la que se enfrentan los diseñadores es si los acelerómetros pueden utilizarse con éxito para medir los cambios de posición, ya que la posición es la integral doble de la aceleración en el tiempo. El enfoque obvio es integrar dos veces la aceleración en los periodos de tiempo adecuados. A lo largo del eje X,

Para una aceleración constante, a,

Así, la posición X en cualquier momento depende de la posición inicial, de la posición ganada con el tiempo a la velocidad inicial y del cuadrado del tiempo.

La integración es razonable para periodos relativamente cortos. Durante largos periodos, el riesgo está en el t² término. Los errores aumentan con el cuadrado del tiempo; el error después de 1000 segundos es 1.000.000 de veces mayor que a 1 segundo. Cualquier pequeño error de desviación en la medición de la aceleración, especialmente con dispositivos de grado de consumidor, pronto producirá un nivel de error intolerable y acabará llevando (en horas o incluso minutos) la posición calculada a sus límites. Incluso un acelerómetro sin ruido y sin errores tendrá otros problemas de integración en periodos largos. Por ejemplo, el hombre que sostiene el mando puede golpear el mando contra un objeto o dejarlo caer al suelo, provocando miles de gees de choque, llevando la salida del acelerómetro a sus límites.

Nintendo resolvió este problema en la Wii utilizando una referencia de posición junto con el acelerómetro. Al correlacionar la posición con la referencia, Nintendo puede limitar el tiempo de integración con reinicios periódicos, reduciendo así adecuadamente el crecimiento del error.

Diseño de juegos intuitivos basados en el movimiento: selección de sensores

"Recuerdo que intenté dominar la interfaz ratón-teclado cuando jugué por primera vez a Marathon, y luego la configuración de doble joystick para Halo, y fue un verdadero reto.... En cambio, el mando de la Wii es muy fácil. Nintendo ha eliminado realmente un gran obstáculo para los no entusiastas. Casi no hay curva de aprendizaje"

-Lev Grossman, en respuesta a los comentarios de los lectores sobre su artículo "Un juego para todas las edades", revista Time, 15 de mayo de 2006.

En las secciones anteriores de este artículo se han descrito algunas de las formas de medir y utilizar los datos de aceleración en el control del juego. Sin embargo, el problema de los acelerómetros del mundo real es que no funcionan perfectamente, ocupan espacio, necesitan energía eléctrica, están sujetos a cambios de temperatura y se puede abusar de ellos. Esta última sección ofrece una visión general de las características de rendimiento que requieren los juegos, lo que hay que esperar de un proveedor de sensores y cómo probar estos parámetros.

Linealidad

El mundo newtoniano es lineal y el movimiento es lineal, por lo que los acelerómetros deben ser lineales. El comportamiento lineal, en todo el rango de la escala, es esencial porque los humanos esperan una respuesta predecible para el juego intuitivo. Si mueves el brazo el doble de rápido, la acción en la pantalla debería ser el doble de rápida. Si la velocidad real es más rápida o más lenta, tienes que aprender el movimiento no lineal como una habilidad especial, lo que hace que el juego no sea intuitivo. Los juegos de inclinación que saltan inesperadamente de un ángulo a otro sin el correspondiente movimiento del usuario pueden ser confusos.

Prueba de linealidad a través del ±1-g es relativamente sencillo. Utilizando un manguito giratorio, cada eje puede probarse en línea con la gravedad, en oposición a la gravedad y en posiciones intermedias, anotando el ángulo y la aceleración de salida en cada punto de medición. Arriba 1 gse hacen necesarios los agitadores y las tablas de frecuencias. Los proveedores de acelerómetros pueden proporcionar datos estadísticos de linealidad para validar los valores de la hoja de datos. Enfoques más complejos, pero quizás más rápidos, utilizan pruebas de movimiento de CA y mediciones de distorsión armónica total para correlacionar directamente con la linealidad.

Consumo de energía

Los sensores de movimiento MEMS de consumo se utilizan en dispositivos inalámbricos de baja tensión. Un menor consumo de energía en un acelerómetro puede liberar el presupuesto de energía para unas comunicaciones más robustas, componentes más baratos en otras partes del diseño y una mayor duración de la batería. Los dispositivos de bajo consumo, como el ADXL330, que suelen consumir 200mA de una fuente de alimentación de 2V, incluso sin ciclos de alimentación, están ayudando a desarrollar mandos inalámbricos que, además de tener largos tiempos de juego, son libres de moverse de la forma natural e intuitiva que los jugadores quieren utilizar el movimiento. Los acelerómetros con tiempos de encendido rápidos permiten realizar ciclos de alimentación, lo que ahorra aún más energía. El diseñador del juego puede activarlos y desactivarlos, tomando muestras a la velocidad a la que se espera que se mueva el jugador humano. Se sugiere una frecuencia de muestreo de 100 Hz como mínimo para los juegos de movimiento suave, permitiendo un ancho de banda de 50 Hz.

Rendimiento de la temperatura

El rendimiento de la temperatura es crucial, ya que el dispositivo sensible al movimiento se suele sostener en la mano de una persona, y por tanto se calienta mucho más durante el tiempo de juego. También es importante un excelente comportamiento ante la temperatura, ya que el rendimiento debe ser predecible en cualquier entorno de juego, ya sea en exteriores o en interiores. Las consolas pueden utilizarse incluso a bajas temperaturas en coches con sistemas audiovisuales.

Los impactos más críticos que el rendimiento de la temperatura puede tener en el juego son la linealidad del cero-g el sesgo frente a la temperatura, y el coeficiente de temperatura de la sensibilidad. La tensión de salida cero-g es esencialmente el desplazamiento de CC del dispositivo. Muchos proveedores de acelerómetros publican "especificaciones de caja" sobre el sesgo de gravedad cero, declarando un rango de error arbitrario dentro del cual puede moverse la salida. Algunos acelerómetros utilizan un sensor de temperatura para proporcionar una compensación digital de la temperatura. Aunque estas técnicas pueden mantener el desfase dentro de un rango determinado, a menudo se producen discontinuidades de paso cuando se explora la salida de la temperatura, a veces de hasta 25 mg, lo que corresponde a un error de más de un grado en las aplicaciones de inclinación. Para comprobar este rendimiento, basta con escanear el acelerómetro en un rango de temperaturas y controlar la salida. Esta prueba es muy recomendable; algunos sensores pueden dar resultados sorprendentes.

Robustez y autocomprobación

Porque los golpes, las vibraciones y las caídas de los mandos pueden causar miles de gees para proporcionar la entrada al acelerómetro, se necesita un diseño de sensor mecánico robusto. El ADXL330 está diseñado con las mismas características mecánicas que se utilizan en los entornos automovilísticos más duros para funciones como el control de estabilidad del vehículo. Si algo va mal, un buen sensor MEMS debería tener funciones completas de autocomprobación mecánica y eléctrica para ayudar a diagnosticar un problema antes de que el jugador siquiera coja el mando.

Avanzar

Históricamente, los mandos de juego estándar limitaban el juego intuitivo, obligando al jugador a aprender habilidades de control específicas. A medida que los juegos progresaban, los desarrolladores empezaron a trasladar las experiencias del mundo real a los juegos del mundo virtual. Hoy en día, los últimos enfoques de los juegos intuitivos utilizan el movimiento para permitir una nueva generación de diseños, haciendo que los juegos sean más intuitivos y divertidos. En este artículo se han presentado los fundamentos del uso de acelerómetros en los controladores de juegos, incluyendo los mecanismos de funcionamiento, las técnicas de medición y los parámetros específicos que afectan directamente al rendimiento del juego, el precio, la fiabilidad, la verificación y las pruebas.

Acelerómetro-Principio de funcionamiento

Los sensores de movimiento que se suelen utilizar en los últimos juegos son acelerómetros de 3 ejes, es decir, sensores de movimiento tridimensionales con salidas eléctricas correspondientes a los componentes de aceleración en el x, yy z direcciones. La figura A muestra un diagrama de bloques eléctricos de un sistema completo de medición de la aceleración en 3 ejes, el ±3-g ADXL330, un circuito integrado minúsculo (4 mm cuadrados por 1,45 mm de alto). Funciona con tensiones de 1,8 V a 3,6 V y sólo consume 180 mA. Puede detectar la aceleración dinámica (movimiento, choque y vibración) y la aceleración estática (fuerza de gravedad).

El sensor es una estructura de polisilicio mecanizada en superficie y construida sobre una oblea de silicio. Los muelles de polisilicio suspenden la estructura por encima de la superficie de la oblea y tienden a resistir las fuerzas de aceleración. La deflexión de la estructura se mide mediante un condensador diferencial formado por placas, unidas a la masa móvil, que se mueven entre placas fijas independientes emparejadas con tensiones controladas por ondas cuadradas desfasadas. La aceleración desvía la masa en movimiento y desequilibra el condensador diferencial, lo que da lugar a una salida de onda cuadrada cuya amplitud es proporcional a la aceleración. Se utilizan técnicas de demodulación sensibles a la fase para leer la amplitud y la polaridad de la aceleración.

Cada salida demodulada se amplifica y se conduce fuera del chip a través de una resistencia de 32 kV. Los condensadores externos, seleccionados por el usuario, proporcionan filtrado y definen el ancho de banda. El aparato también tiene una función de autocomprobación para detectar fallos de funcionamiento. La figura B es una fotografía de un chip acelerómetro.

参考資料

1. ADXL202
2. ADXL330