一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统的制作方法

本实用新型属于仿真游戏系统技术领域，具体涉及一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统。

背景技术：

继鼠标和多点触摸之后，体感交互被称之为“第三次人机交互革命的原点”。人机体感交互的出现是人与机器对话方式回归自然的重要转折，体现了人们对“以人为中心”设计理念的不断追求。人机交互是研究人与计算机及其相互作用的技术，其研究目的在于利用所有可能的信息通道进行人机交流，提高交互的自然性和高效性。目前人与计算机交互的方式只局限于鼠标与键盘，正是由于这种传输方式的单一性阻碍了人机交互的进一步发展，人机交互中输入输出效率之间的差距变的越来越大。随着科学技术的高速发展，更高层次的人机交互理念对交互方式提出了巨大的需求，众多科研人员开始对新的交互技术的多通道界面展开研究，目前的研究内容主要是集中在手势输入、语音识别及感觉反馈等方面。而 kinect 体感技术的出现为促进人机交互的发展具有重要意义，kinect 作为新一代的体感设备，可以依靠实时捕捉使用者的动作、面部识别及语音识别就可以达到输入功能。这一特性很好地填补了现有人机交互技术的缺陷，并且促使 kinect 体感技术成为人机交互领域的一个研究热点。Kinect的研究和应用在国内外都呈现出比较高的热潮，相关技术，如人脸识别、动态跟踪、手势识别等均出现了比较优越的实际效果。让机器人能够实时跟踪人的动作功能并完成与人的沟通互动是机器人研究领域的一个新的领域，尤其是用于此方面娱乐游戏功能的机器人更有广阔的发展前景。而具有动态跟踪、手势识别、高精度仿真等功能的对抗机器人将能够很大程度上实现人机交互，在这个全新领域是很好的应用实践。

a、目前大众化的游戏大多是实体、虚拟分离，参与者在体验的过程中趣味单一、收益面十分狭隘，甚至在某些方面会产生负面作用；

b、绝大部分游戏都是针对传统控制器（如键鼠）来设计的，体感游戏资源少的情况下玩家并不会乐意买单，即使不少体感设备已经不算贵了。例如，Kinect虽然强悍，但是玩家很少能在游戏中享受这种“高大上”的操控，其基本上除了用来制作某些游戏的人物头像外，最大的用处就是提供视频聊天，最终使得不少玩家甚至反对它和主机捆绑销售。

c、键鼠和手柄等几乎是所有玩家接触时间最长的一类游戏控制器，要玩家改变固有的操作习惯是相当困难的。因此，游戏厂商们对开发体感游戏也就会趋于谨慎，毕竟新游戏如果放弃传统游戏控制器，也就意味着背离玩家的游戏习惯，这要冒失去原有玩家的巨大风险。

由此可见，目前虽然有许多诱人的体感游戏设备面世，但是它们的使用还相当受限，更多还是处于“创意诉求”阶段，实际的游戏运用上也还比较单一，即多为休闲体育类游戏；而要成长为能够和键鼠与手柄分庭抗礼的控制器，还需要提升硬件性能、打造游戏资源并培养玩家习惯。

针对上述不足，需要设计和开发一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统，能够补足上述各个缺点。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本实用新型提供一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统。

本实用新型是一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统，包括主机系统和从机系统，所述主机系统包括上位机、PC机和第一无线传输模块，所述上位机上设置有 Kinect2代体感设备，所述上位机、PC机和第一无线传输模块相互电性相连，所述从机系统包括下位机，所述下位机包括行动机器、单片机、第二无线传输模块、语音模块和直流电机驱动模块，所述主机系统和从机系统内分别设置有电源部分，所述行动机器、单片机、第二无线传输模块、语音模块和直流电机驱动模块相互电性相连，所述第一无线传输模块和第二无线传输模块为XL02-232AP1无线传输模块。

优选的，所述主机系统和从机系统设置有相适配的完整编程和操作环境。

优选的，所述单片机为ATmega128型单片机。

优选的，所述主机系统和从机系统通过无线网络连接。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：利用Kinect2代体感设备所有的3D图像识别技术（利用红外感应原理，采用3D深度摄像机技术，就是可以捕捉到人所在的空间位置）、人体骨骼追踪技术（识别到3D图像深度信息后，通过软件计算出人体主要的骨骼位置，通过精确掌握人体身形轮廓与于肢体位置来判断人的姿势动作，从而捕捉到人的动作）实现对人体动作的实时捕捉，并把信号传递给机器人，从而使机器人完成相应的动作，实现人和机器人的动作对应。通过加入语音模块可以使机器人在接收语音指令时执行相应的语音命令，从而实现人与机器的在语音方面的互动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统的结构框图；

图2为本实用新型一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统的语音模块结构图；

图3为本实用新型一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统的游戏场地模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1、图2、图3所示的一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统，包括主机系统和从机系统，所述主机系统包括上位机、PC机和第一无线传输模块，所述上位机上设置有 Kinect2代体感设备，所述上位机、PC机和第一无线传输模块相互电性相连，所述从机系统包括下位机，所述下位机包括行动机器、单片机、第二无线传输模块、语音模块和直流电机驱动模块，所述主机系统和从机系统内分别设置有电源部分，所述行动机器、单片机、第二无线传输模块、语音模块和直流电机驱动模块相互电性相连，所述第一无线传输模块和第二无线传输模块为XL02-232AP1无线传输模块。

所述主机系统和从机系统设置有相适配的完整编程和操作环境，可根据实际情况进行调节。

所述单片机为ATmega128型单片机，数据处理速度更快。

所述主机系统和从机系统通过无线网络连接，方便控制。

工作原理：一种基于Kinect体感的仿真对抗游戏系统，其实现方法如下：

1）整体结构设计

a、主机操作环境配置：

PC主机需装备与上位机Kinect2代体感设备相适配的完整编程、操作环境；

b、上位机Kinect硬件置备及程序调试：

购置上位机Kinect2代体感设备并对相关硬件进行装配，编写、调试、优化算法程序并导入上位机Kinect；

c、下位机机器硬件置备及程序调试：

购置下位机机器完备部件（如主控板、语音模块、无线串口、主体构架材料等）并对其进行硬件检测、调试；设计机器机械结构并组装成型；编写、调试、优化算法程序并导入下位机机器；

d、对抗游戏场地及道具的设计、制作：

设计对抗游戏场地、适当的道具并进行制作、装配成型；

e、系统整体测试、优化、验收：

整体试运营体验操作，保证各个设备协调运行完好，针对不可行之处予以优化、完善，达到预期目的效果；

f、正式投入运营，并对系统进行实时监测、定期维护、革新完善。

2）原理设计

a、上位机、PC机：

Kinect原是微软在2010年推出的游戏机xbox360的体感外设，它实质上是一个3D体感摄影机，由于它具备了即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识等功能，很快被应用到虚拟应用、3D建模、机器人控制等诸多领域。 本项目是Kinect其中一个关于机器人控制领域的应用。

本项目上位机利用Kinect2代体感设备所有的3D图像识别技术（利用红外感应原理，采用3D深度摄像机技术，就是可以捕捉到人所在的空间位置）、人体骨骼追踪技术（识别到3D图像深度信息后，通过软件计算出人体主要的骨骼位置，通过精确掌握人体身形轮廓与于肢体位置来判断人的姿势动作，从而捕捉到人的动作）实现对人体动作的实时捕捉，并把信号传递给机器人，从而使机器人完成相应的动作，实现人和机器人的动作对应。通过加入语音模块可以使机器人在接收语音指令时执行相应的语音命令，从而实现人与机器的在语音方面的互动。

Kinect2代体感设备，其包含一枚PS1080 SoC芯片以及一个红外投影仪，两个摄像头，四个麦克风和一个风扇，结构如下图，三个摄像头。面对Kinect，从左往右看。最左边是红外光源，其次是LED指示灯，再次是彩色摄像头，用来收集RGB数据，最右边是红外摄像头用才采集景深数据。摄像头、麦克风与芯片之间的工作原理如下图。

在Kinect里面，是通过20个关节点来表示一个骨架，具体由下图可以看到。当你走进Kinect的视野范围的时候，Kinect就可以把你的20个关节点的位置找到，位置通过(x, y, z)坐标来表示。

当人体面对Kinect作出一系列动作时，Kinect会将捕捉到的图像生成景深数据，并将数据传送至主机进行分析判断（运用这些信息可以提取出人体姿态特征以及运动特征，用于人体基本动作的识别。譬如，通过比较右手与头部的Y轴坐标差值的阈值变化，可以解析出右手是否举起，如图）然后PC机根据操作程序通过无线串口发送对应动作指令信号至下位机机器，由机器高仿真完成对应动作（比如：前、后、左、右等基本动作以及前倾、后仰、弯腰、用手部拾起物体等复杂动作)来进行对抗游戏。

b、下位机：

机器采用高仿人形，考虑到稳定性、美观性等因素，我们拟采用双驱轮式的动力结构，并为之专门设计一款驱动电路板，其他部件将由我们自主制作完成。由于需要引入Kinect2代体感设备，因此控制部分通过Kinect使用win8系统进行动作识别，同时结合AVR Mega128作为电机和舵机的控制单元。为进行外部音频播放和无线影像无死角传输，增加了语音模块、扬声器、以及带摄像头的无线影像智能眼镜。

C、单片机

采用ATmega128，下位机与上位机通过XL02-232API无线串口进行通信.上位机捕捉到人体动作时，会一直向单片机发送信号，单片机控制机器执行相应动作指令。单片机主要使用了通信串口和若干个IO口与上位机和语音芯片等进行通信。

d、语音模块

最大输出功率为25W，具有30M存储容量，可以通过8个按键触发8段语音。在单片机中，我们主要用PC(0-9)10个IO口与语音芯片中K(0-9)按键触发端相连，控制语音系统。通过单片机最少2个IO口控制多达32段声音任意调用和组合的语音。

e、电机运动部分

由两个驱动卡带动四个电机，这样能够保证车体稳定，并且容易实现。有单片机控制其运动，编写程序可以封装函数，控制电机运动分别由两个数字表示：第一个数据表示左侧电机运动速度，第二个数据表示右侧电机运动速度，只要这两个参数确定，小车就会做出相应运动。无线串口接收部分等待接收由发射端发来的数据，当没有收到数据时，程序一直处于等待状态。小车默认左右电机运动速度为0，车体静止,一旦有数据接收，等待接收完成后，开始执行命令。

f、 电源部分

采用的是3S锂电池，容量为1500mAh，额定电压11.1V，35C超大放电能力。

g、无线影像部分

采用无线影像眼镜套件（带摄像头），将摄像头置于机器头部，参与者佩戴眼镜实现全方位无死角影像传输。

h、软件设计、程序编写：

软件程序设计采用模块化处理方法

主机程序主要由主程序、Kinect初始化、图像辨识、语音识别、串口通信等模块组成，采用C#编写，编译环境为VS2010，使用部分环境库函数。

从机程序主要有主程序、串口通信、电机驱动、舵机驱动、语音模块程序、动作函数等模块组成。采用C语言编写，编译环境为Avr studio4，使用部分环境库函数。

i、游戏对抗场地及道具：

正方形区域为机器起始区；带平台的梯形体结构为安全区（放置有辅助工具）；圆柱体为阻挡区。

j、仿真对抗游戏操作流程：

对抗游戏分为：1V1、2V2、3V3三种类型，参与者可任意选择；

对抗游戏开始前，工作人员将机器置于起始区，并检查机器状态，确保状态良好；

操作者位于场外操作区（Kinect体感识别系统前）佩戴无线影像眼镜按照操作规则（比如x平面内右手在左手前，机器前进）进行仿真操控机器，操作者通过无线眼镜可以清楚看到场内布置情况及对方机器；

双方操作者相互鞠躬后，机器提示“放马过来”，对抗游戏正式开始。

操作者控制机器可以在场内任意移动，移动至安全区可以弯腰拾起辅助工具。

操作者控制机器与对方机器进行对抗，在有限时间内将对方机器全部推倒（或本方机器数量较多）则为胜利，反之失败。胜利者将获得奖励。

操作者在非恶意损坏机器的前提下可以任意发挥操作，与队友合作、协调，充分利用辅助工具、机器手部、腿部等灵活部位力量去抗击对方机器，最大程度体验仿真对抗游戏的乐趣。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：利用Kinect2代体感设备所有的3D图像识别技术（利用红外感应原理，采用3D深度摄像机技术，就是可以捕捉到人所在的空间位置）、人体骨骼追踪技术（识别到3D图像深度信息后，通过软件计算出人体主要的骨骼位置，通过精确掌握人体身形轮廓与于肢体位置来判断人的姿势动作，从而捕捉到人的动作）实现对人体动作的实时捕捉，并把信号传递给机器人，从而使机器人完成相应的动作，实现人和机器人的动作对应。通过加入语音模块可以使机器人在接收语音指令时执行相应的语音命令，从而实现人与机器的在语音方面的互动。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。