wii的感测原理

wii的感測原理引發新世代電視遊樂器大戰的始作傭者微軟XBOX 360與新力PlayStation 3，這兩間公司以資金堆積起工程成就後，電視遊樂器的元老日本任天堂，以他們的創意重新投入市場，也許會改變現有的遊戲思維。【文S.Roash】Wii Remote原理任天堂Wii使用的CPU是IBM特地為其生產的Broadway處理器，屬於PowerPC系列。所以Wii並非不重視計算性能，只是他們不搶第一名而已現今遊戲所需的基本畫面，都比以往的複雜許多，已經變成傳奇歷史的小精靈、大金剛，只能在電腦模擬器中回味了。任天堂並沒有放棄遊戲畫面的要求，他們也使用特殊的處理器晶片控制遊戲畫面，只是使之維持在某個水準就好，不必拼到第一。畢竟在這個半導體技術飛躍發展的時代，花大錢買到的頂尖功能，一年後價格可是腰斬再腰斬。不過有趣的八卦是，Wii、PS3與XBOX 360，都是使用IBM的PowerPC處理器技術，英特爾在這邊可說是出局了。 Wii既然不以CPU與微軟XBOX 360或新力PS3抗衡，所憑藉的就是創意，重新將樂趣帶回遊戲，而非畫面精美的驚嘆。Wii最大的特徵就是把手。這玩意兒如果照慣例說是把手的話，真的是太侮辱任天堂的創意，所以下文都照任天堂的命名，叫做Wii Remote。Wii Remote內建麥克風與喇叭，支援震動功能，可說將視訊以外的輸出入信號通通集中在玩家的手上。Wii感測技術根本無從發揮。 Wii Remote可以感應使用者的動作，配合遊戲設計模擬出非常融入內容的遊戲。任天堂曾經展示幾種創意遊戲，將Wii Remote當作球棒揮動、當作刀子砍劈、同高爾夫球杆揮動，或是簡單模擬機車油門把手等等。當使用者執行這些動作時，不會乖乖坐在椅子上，而是會四處移動，和以前的電視遊樂器最大的不同，當然是在控制的方式，而且也讓信號回饋的方式不同，所以Wii必須把聲音與震動裝置都安裝在把手上，以無線方式傳遞信號。如果不這麼做，把手與主機之間的電線不但要拉到幾公尺長，而且打棒球時每揮棒一次，就得找人幫忙解開身上的電線。Wii與加速度 Remote的Remote，意指遠處遙控，透過藍芽通訊技術與主機相連，去除電線的困擾，事實上Remote一定得去除電線，不然內建的運動Wii使用的是ST公司生產的三軸加速度感測晶片Wii之所以有這麼炫的功能，完全在它拋棄傳統的輸入方式，改用其他機制作為機器輸入方式。有些文章介紹Wii時，說Wii是用使用者的姿態動作作為輸入方式，這樣的說法太簡化了，Wii並不是利用使用者的姿態，而是利用加速度當作輸入方式。在地球表面上，重力加速度無所不在，因此使用者握著把手時，不論是怎樣的姿態，Wii都可以知道是那邊向下，藉以猜測大概的姿態。 究竟什麼是加速度？加速度是用來形容速度是如何被改變的。比如說你拿著Wii的搖桿，花了一秒鐘從右移到左，Wii搖桿會隨著你的手從靜止，也就是速度零，加速到某個速度，然後減速到靜止。在這個過程中，加速度先是向左邊加速，差不多移動到中間後開始減速，換個說法，就是向右邊加速，直到靜止。因為速度有改變，而速度改變有多快就是加速度。不過，Wii無法得知搖桿的位置，它不知道搖桿是用手握住從右移到左的？還是用嘴巴咬住做出誇張的搞笑演出，它僅知搖桿怎麼改變移動方式而已。而且除了不知道搖桿所在位置外，連搖桿的移動速度也測量不到。 可以想像一下，假設你在一台時速一百公里的巴士上玩Wii遊戲，如果這個時速一百可以被Wii測量到的話，你的任何動作都不可能比它快，所以你無法在Wii上做出與汽車反向的動作，那什麼棒球、高爾夫通通不用玩了。也就是說，測不到速度這件事其實挺好的，這樣到處都可以好好玩一場Wii遊戲。套句物理學術語，這是因為在描述一個物體的速度時，除了時間外，還有位置、速度與加速度三個量，Wii只有知道時間與加速度，要推測速度與位置兩個物理量有實際上的困難。以剛剛這台想像中的巴士為例，除非從靜止時開始記錄加速度，不然Wii不會知道速度有多快，而煞車時，由於有很明顯的加速度，一定會影響Wii的遊戲進行。新遊戲新挑戰以前沒有微機電晶片時，只能用其他方式測量重力的表現，如圖中的水銀開關。中間亮亮那顆是一粒水銀，一旦有加速度就會改變與兩個導線的接觸狀態Wii Remote的特點鼓舞許多電玩愛好者，當他們看到廣告片的內容，可以揮舞虛擬的刀子與電腦互相廝殺，可以握著搖桿當作網球拍大力揮出去，簡直是迫不及待想買一台來玩。但當你知道Wii原理後，相信也可以理解Wii Remote的限制，世事美好，只是常有遺憾。玩家握著WiiWii的CPU並不知道這是個揮棒的動作，他只是根據Wii Remote傳回來的加速度大小與方向，判斷這是否合乎揮棒動作應有的信號。所以在某些條件下，使用者也許可以找到一些動作，擁有類似的加速度方式，藉以欺騙遊戲程式。反過來說，如果你找不到某個動作可以合乎揮刀大砍的條件，程式又沒有設計傳統控制方式，這遊戲玩起來可會累死人。更悲慘的是，Wii Remote再怎麼精巧，它也只是一個小小沒什麼重量的塑膠棒，想拿這個塑膠棒模擬球棒，力道的掌握是注定做不到的，更何況球拍打到球時會有的力回饋反應，這也是Wii Remote無法提供的。 Remote所憑藉的 Remote做出揮棒的動作時，撇開這些不談，對於遊戲軟體公司來說，新的輸入法也是另一大挑戰。以往的按鈕不論是十字標，或是八方向按鈕，對程式設計師來說不過是一堆0與1的信號，0代表沒事，1代表按下按鈕，程式做出相對應的動作即可。但現在面臨的是空間中的物理現象，對力學沒有一番研究的人很難在上面發揮創意。早期任天堂宣布Wii要配備運動感測技術時，對外公布配備Analog Devices公司所生產的ADXL系列感測器，除了他們的產品相當成熟外，另外當時能生產三軸感測器的廠商真的不多，大多是雙軸，甚至是單軸而已。但是現在傳出任天堂把加速度感測器替換成ST公司的產品，這件事對於Analog Devices是個很大的打擊，能夠生產這種感測晶片的公司沒幾間，相信任天堂一定有自己的理由。以前MEMS加速度感測晶片最大市場是汽車用途，當撞車時，瞬間加速度會啟動感測晶片，進而爆發安全氣囊，但這只需要單軸感應即可，而且也不需要很精確的測量結果。 Wii將加速度感應技術引進電視遊樂器市場，確實需要更複雜的三軸感測與計算技術，可能變成此技術最大的一塊應用場合。如同任天堂一開始為Wii所取的名字Revolution(革命)，Wii不但有可能改變遊樂器的使用概念，也有機會證實，遊戲的重點在遊戲本質，而非一味加強畫面華麗程度，這是值得我們期待的遊戲革命。加速度與重力加速度地球上的重力加速度就是地心引力，就算我們站立不動，我們還是以24小時一圈的速度繞著地球跑，所以重力加速度還是有作用的，只是我們跟四周景物都跟著地球跑，除非使用特殊儀器，否則我們無法察覺的。加速度與重力加速度的來源未必相同，但結果是相同的，Wii不能分辨加速度的來源是地球還是人，如果在我們剛才所說的巴士上，還多了一個汽車的加速度，這些加速度總和在一起，會搞混Wii的加速度感測器，所以遊戲也不能設計得太複雜。怎麼測量加速度測量加速度有點麻煩，要多翻物理課本才行，若只是要感應到加速度，那就簡單多了。據筆者非正式的考證，最出名又簡便的重力感應方式，是日本秋名山上一個從小開車送豆腐的小子，他老爸在車上放一杯水，只要急煞車，或是急加速，甚至是轉彎動作，加速度都會讓杯中的水潑出，因此知道加速度是否過大。筆者很期待甩尾賽車遊戲可以在Wii上登場，但要在Wii上裝一杯水就免了，想當然爾電子設備不會用一杯水來測量加速度，用一小滴水銀倒是有看過，這水銀被保護得很好，封在一個小管子內，裡面有兩根電線，水銀一旦改變位置，會讓電線導電，或是變成不導電，算是測量到物體的位置變化。用水銀測加速度沒辦法測得很準，但省電又便宜，有些汽車防盜器就是以這種原理做成的，以此作為汽車防盜器，或是之前有人做成機車傾倒警示器都很稱職，但就是沒辦法達成Wii所需要的功能。Wii不能只知道物體是否有震動而已，還要知道往那邊加速，加速度有多大，才足以感測人體的移動變化。Wii測加速度的方式以微機電作為加速度感測器的方式有很多種，像Wii使用的是ST公司所開發的晶片，晶片內有三個製作欠佳的電容，可以測出我們想要的物理現象。它依賴兩個物理原理，第一個是在晶片上製作兩片微小帶電板，一片固定在晶片上，另一片以浮動的方式，可以想像是用彈簧支撐在第一片板子上。一旦晶片有加速度，第二片板子會稍微離開或靠近第一片板子，靠彈簧拉緊不至於飛走或互相撞擊。我們不妨這樣想像，你拿著一個彈簧，彈簧另一端是一顆有點份量的球，只要揮舞彈簧，便可以看到彈簧的長度會變長或壓短，所以彈簧的長度與加速度是有關的。接著第二個物理原理比較難懂，因為是肉眼看不到的電學，想像力發揮不了太多幫助。學過基本電學的讀者可以回想一下，兩片導電的板子，只要不相連，就是一個平板電容器。此電容器的電容值，與兩片板子的距離成反比。意思是說，當兩片板子間的彈簧被壓縮時，電容值會上升，反之下降。 將以上兩個物理原理串聯起來，就知道是怎麼回事。微機電做成的晶片內有非常微小的兩片板子，用有彈性的方式固定住，兩端通電變成電容。一般的電容擁有固定的電容值，這玩意兒則相反，當晶片上有加速度時，加速度會改變電容器的電容值，我們只要測量電容值的改變量，就知道加速度。 這種方式可以測量出一個方向的加速度大小，因為我們是生活在三度空間內，所以Wii使用的晶片內是三個互相垂直的電容式測量器，可以測量出三個方向的加速度，包含地球重力在內。雖然Wii可以測出三個方向的加速度，但寫遊戲的人不一定需要使用到這樣多的數值，以Wii所發表的遊戲影片看來，應該是有不同的設計才是