李暉 朱曉翠

摘要：依據(jù)阿爾茨海默病患者的特點(diǎn)，以該病的預(yù)防為目標(biāo)，文中提出了一種基于阿爾茨海默病預(yù)防的交互游戲系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和研究內(nèi)容，具體有：1）借鑒現(xiàn)有的預(yù)防辦法，對游戲的流程、交互、姿態(tài)和關(guān)卡進(jìn)行了科學(xué)有效的設(shè)計(jì);2）根據(jù)游戲的設(shè)計(jì)方案，借助于Kinect交互設(shè)備和相關(guān)開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了游戲系統(tǒng)功能模塊的開發(fā)。最終形成的交互式小游戲系統(tǒng)的邏輯完整，在交互方面符合正常的人機(jī)交互模式，用戶有著良好的體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：阿爾茨海默病;小游戲系統(tǒng);Kinect交互設(shè)備

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0001-04

1 引言

隨著全世界現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，老齡化的問題也越來越嚴(yán)重。截至2019年底，我國大陸人口中年齡超過60歲的大約占了18.1%，而超過65歲的占了12.6%[1]。我國正朝著深度老齡化社會前進(jìn)，伴隨著人口老齡化問題，一系列疾病也因此需要得到特別的關(guān)注。其中，最具代表性的就是阿爾茨海默病，據(jù)調(diào)查，在2015年全球阿爾茨海默病患者達(dá)到4600萬人，并且此數(shù)字增長速度十分顯著，預(yù)計(jì)到2050年該數(shù)字將會增長到1.315億人[2]。全世界無數(shù)的人力與財(cái)力都投入到了與此病的斗爭當(dāng)中。

截至目前，阿爾茨海默病并沒有根治的辦法。在此現(xiàn)狀下，阿爾茨海默病的預(yù)防就成了重中之重。阿爾茨海默病是屬于神經(jīng)系統(tǒng)退行性的疾病，主要的預(yù)防渠道包括日常飲食、體育活動以及用腦情況等。本文將主要從體育活動以及用腦情況進(jìn)行交互游戲的設(shè)計(jì)。玩家通過大腦的活動做出相應(yīng)的判斷，并進(jìn)行對應(yīng)的肢體活動。同時(shí)利用Kinect設(shè)備捕獲玩家的信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的模式。使玩家在玩游戲的同時(shí)，達(dá)到對阿爾茨海默病預(yù)防的效果。傳統(tǒng)的預(yù)防過于無趣，基于計(jì)算機(jī)的游戲恰巧能彌補(bǔ)這一缺陷。

國內(nèi)馬錫超[3]等在臨床的應(yīng)用中獲知傳統(tǒng)的認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練與虛擬認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練對于阿爾茨海默病前期的認(rèn)知障礙都有改善效果。并且虛擬認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練在對患者的注意力訓(xùn)練與空間知覺訓(xùn)練等方面效果均比傳統(tǒng)的認(rèn)知康復(fù)訓(xùn)練好，通過游戲形式的訓(xùn)練模式更能激發(fā)患者主動參與的興趣與積極性。國外將計(jì)算機(jī)科學(xué)中的虛擬現(xiàn)實(shí)與認(rèn)知障礙相結(jié)合的報(bào)道較多。Sebastian等將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于對視覺認(rèn)知障礙的訓(xùn)練當(dāng)中，制作出了穿越虛擬路口的訓(xùn)練工具軟件[4]。Chang等制作了結(jié)合Kinect的Kinempt系統(tǒng)[5]，用于對認(rèn)知障礙患者的工作提示訓(xùn)練，并且利用Kinect設(shè)備，開發(fā)了針對提升中老年人群的認(rèn)知功能的交互游戲，通過3個小游戲?qū)ν婕疫M(jìn)行訓(xùn)練達(dá)到預(yù)防以及康復(fù)訓(xùn)練的效果?！白穼ぜ^”需要玩家在五秒內(nèi)通過雙手指示出屏幕中隨機(jī)五個不同方向的紅色箭頭，“對號入座”需要玩家用雙手匹配屏幕中的圖形符號，“打松鼠”需要玩家規(guī)避金色松鼠，擊打其他顏色的松鼠。

在此背景下，本文介紹了當(dāng)前阿爾茨海默病的現(xiàn)狀與特點(diǎn)，并結(jié)合微軟提供的Kinect體感設(shè)備，使用Unity3d作為游戲開發(fā)引擎，采用主流的開發(fā)工具，設(shè)計(jì)一款預(yù)防阿爾茨海默病的三維空間的交互式體感小游戲系統(tǒng)。

2 游戲設(shè)計(jì)目標(biāo)

游戲設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是達(dá)到預(yù)防阿爾茨海默病的效果，通過用戶對本游戲的游玩，在游戲過程中充分鍛煉了自身的短期記憶力與邏輯能力，同時(shí)利用Kinect設(shè)備使用戶的肢體得到適當(dāng)?shù)幕顒由踔吝_(dá)到訓(xùn)練的效果。為預(yù)防阿爾茨海默病患者設(shè)計(jì)，而真正的患者大多為65歲以上的老齡人群，但我們希望低齡人群也可以適應(yīng)此游戲達(dá)到益智的效果，所以目標(biāo)用戶的范圍就會比較大，與0-100歲的小孩這個比喻比較貼切，因?yàn)橥夏耆穗S著年紀(jì)的增大，身體機(jī)能也會隨之開始正常的衰退，表現(xiàn)得更像一位小孩。因此在游戲畫面以及風(fēng)格上不宜過激，在聲音方面也需要比較柔和平緩的音樂，不需要太多華麗的操作效果，游戲難度上也需要緩慢地推進(jìn)。同時(shí)考慮到女性患者遠(yuǎn)高于男性，在場景界面設(shè)計(jì)方面會更偏向簡約風(fēng)格。

在現(xiàn)有醫(yī)學(xué)技術(shù)之下，并沒有確定的方法可以完全治療阿爾茨海默病。針對于此結(jié)論，游戲設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)在如何有效的預(yù)防發(fā)病。根據(jù)上海體育學(xué)院徐瓊的研究，體力活動水平的影響隨著年齡的增加而不斷變大[6]。老年人群體力活動水平較低，高體力活動水平可以降低輕度認(rèn)知障礙患病的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合阿爾茨海默病初期病患的表現(xiàn)特點(diǎn)，患者會出現(xiàn)記憶力衰退，邏輯能力下降，視空間能力下降。現(xiàn)有的預(yù)防建議，主要包括腦部與肢體的鍛煉，以及生活飲食習(xí)慣。因此，此類游戲玩法設(shè)計(jì)上應(yīng)著重考慮對用戶的記憶力訓(xùn)練和邏輯能力訓(xùn)練。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 游戲總體流程設(shè)計(jì)

用戶點(diǎn)擊游戲軟件后，用戶首先需要在Kinect設(shè)備的可視范圍內(nèi)做出“T”字形姿勢，完成Kinect的初始化，并獲取用戶信息ID。游戲主界面中，應(yīng)有三個按鈕：闖關(guān)模式、訓(xùn)練模式、設(shè)置。用戶通過移動雙手來控制屏幕中的虛擬手掌移動，移動到按鈕上握拳等待進(jìn)度條完成進(jìn)入下一界面。闖關(guān)模式中，隨機(jī)調(diào)整關(guān)卡一和關(guān)卡二的出現(xiàn)順序，完成關(guān)卡后記錄得分，計(jì)算出玩家操作分對下回合闖關(guān)模式難度有所影響。訓(xùn)練模式中，用戶可以自由選擇關(guān)卡進(jìn)行訓(xùn)練，每個關(guān)卡有三個難度可供選擇。關(guān)卡一中，用戶通過肢體搭建出正確的橋梁，使小車進(jìn)入右側(cè)相同顏色的管道中得一分。關(guān)卡二中，用戶通過選擇出數(shù)字最大的選項(xiàng)第一分。游戲的具體流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.2 游戲交互設(shè)計(jì)

交互即交流，游戲交互設(shè)計(jì)和其他產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)又有所不同。交互設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)用戶和某一種對象之間的互動行為，從而給用戶更好的體驗(yàn)。那么游戲交互設(shè)計(jì)正是設(shè)計(jì)玩家與游戲世界之間的互動[7]。本文按照圖2和圖3所示的交互方式完成系統(tǒng)與產(chǎn)品，用戶與系統(tǒng)的交互任務(wù)。

結(jié)合所采用的是Kinect的交互設(shè)備，Kinect體感交互的實(shí)現(xiàn)，主要利用捕獲人物的關(guān)節(jié)點(diǎn)信息、手部姿勢信息和聲音信息來觸發(fā)相應(yīng)的操作，完成人機(jī)交互的模式，Kinect設(shè)備交互流程如圖4。

游戲中主要的交互存在于兩個方面：用戶在主界面與UI的交互、用戶在游戲關(guān)卡中與游戲本身形成交互。關(guān)于與UI間的交互，充分發(fā)揮Kinect傳感器的優(yōu)勢，依托傳統(tǒng)的鍵盤鼠標(biāo)與手柄。獲取左右手關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換在屏幕中實(shí)時(shí)展示左右手的位置，代替了傳統(tǒng)鼠標(biāo)移動的效果，當(dāng)虛擬手掌移動到可交互的UI上，則會進(jìn)行UI的高亮顯示來提示用戶。為了完整地代替?zhèn)鹘y(tǒng)鼠標(biāo)的功能，鼠標(biāo)點(diǎn)擊的操作采用了用戶握拳的操作來代替，一方面Kinect v2可以獲取到了左右手的張開和閉合兩個狀態(tài)，另一方面已經(jīng)通過使用左右手在三維空間中的滑動代替了傳統(tǒng)鼠標(biāo)的移動，結(jié)合上采用左右手的閉合表示按下鼠標(biāo)左鍵，使得在某種意義上用戶的雙手已經(jīng)能夠很好地替代了鼠標(biāo)的功能，給用戶更具有沉浸式的游戲體驗(yàn)，具體如圖5所示。在傳統(tǒng)游戲中，當(dāng)用戶點(diǎn)擊下鼠標(biāo)后更希望立馬得到反饋，不然就會被當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)延遲，給用戶糟糕的游戲體驗(yàn)?？墒窃贙inect設(shè)備下，當(dāng)用戶將屏幕上右手挪動到某個按鈕下并握拳，如果沒有絲毫延遲地跳轉(zhuǎn)了界面完成交互，這并不會給用戶良好的交互體驗(yàn)，反而是讓用戶等待一段時(shí)間后再實(shí)現(xiàn)交互更好，唯一需要補(bǔ)充的是一定要讓用戶等待的時(shí)間進(jìn)行可視化，所以本次采用了在點(diǎn)擊按鈕之后進(jìn)行進(jìn)度條讀取，完成進(jìn)度條讀取之后再開始交互。

接著需要設(shè)計(jì)姿勢的交互，可按表1所示內(nèi)容對其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.3 游戲關(guān)卡設(shè)計(jì)

關(guān)卡設(shè)計(jì)對于整個游戲都至關(guān)重要，根據(jù)游戲關(guān)卡要素的設(shè)計(jì)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)不同關(guān)卡時(shí)要明確這個關(guān)卡設(shè)計(jì)出來的目的是什么，當(dāng)用戶通過此關(guān)卡達(dá)成的成就或者被給予的獎勵是什么。同時(shí)在不同的關(guān)卡中也要有難易程度的區(qū)分。本預(yù)防阿爾茨海默病的交互游戲可設(shè)計(jì)為兩個游戲關(guān)卡和兩種游戲模式，具體如下：

關(guān)卡一：匹配小車，流程如圖6。左側(cè)從三個不同顏色的管道中出現(xiàn)勻速行駛的小車，右側(cè)有不同顏色的三個管道，具體如圖7，用戶通過擺動左右手臂搭建出正確的橋梁，使小車觸發(fā)的管道顏色與右側(cè)進(jìn)入管道的顏色相匹配則得分。

關(guān)卡二：選出大數(shù)。屏幕中會定時(shí)出現(xiàn)四個氣泡數(shù)字，四個氣泡大小不同，上邊的數(shù)字也大小不同，氣泡生成的位置也不同，如圖9。氣泡大小會影響到數(shù)字的字體大小，用戶需要選擇在規(guī)定時(shí)間內(nèi)選擇出數(shù)字本身較大的數(shù)字。

模式一：闖關(guān)模式。在主界面進(jìn)入此模式，隨機(jī)出現(xiàn)關(guān)卡一和關(guān)卡二，分別記錄下通關(guān)后的分?jǐn)?shù)，計(jì)算出操作分，用戶在上回合中的操作分會對下一回合關(guān)卡難度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

模式二：訓(xùn)練模式。在主界面進(jìn)入此模式，用戶可以指定進(jìn)行關(guān)卡一或者關(guān)卡二的訓(xùn)練，在訓(xùn)練模式中進(jìn)入關(guān)卡，每個關(guān)卡有三個可供選擇的難度。

4 游戲?qū)崿F(xiàn)

4.1 開發(fā)工具與開發(fā)環(huán)境

根據(jù)本游戲的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和開發(fā)要求，本文采用了表2所示的開發(fā)工具和環(huán)境。

4.2 游戲功能模塊的實(shí)現(xiàn)

由于本文所述的游戲內(nèi)容較多，限于篇幅，下面僅列其中三個功能模塊進(jìn)行闡述。

1）深度數(shù)據(jù)流追蹤功能的實(shí)現(xiàn)。和許多輸入設(shè)備不一樣，Kinect能夠產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)，它有紅外發(fā)射器和攝像頭。Kinect SDK從紅外攝像頭獲取的紅外數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行計(jì)算處理，然后產(chǎn)生景深映像數(shù)據(jù)，具體如圖10所示。深度數(shù)據(jù)每像素記錄16位，也就是說每個像素的深度數(shù)據(jù)每需要2個字節(jié)，每個像素的深度只記錄在16位中的13位，所以很容易得到每個像素的距離，但是在直接使用它時(shí)，需要將游戲者索引位移除。Kinect之所以能感知外界環(huán)境，主要用到黑白光譜：在深度圖像中利用純黑表示無窮遠(yuǎn)，利用純白表示無窮近。圖像中每一個像素的顏色則對應(yīng)了外部環(huán)境中的真實(shí)物體到Kinect傳感器的物理距離。Kinect接收獲取范圍內(nèi)的所有的點(diǎn)并顯示他們的深度的圖像。Kinect傳感器產(chǎn)生的深度數(shù)據(jù)流，以每秒30幀的速度實(shí)時(shí)地再現(xiàn)外部環(huán)境。

2）骨骼數(shù)據(jù)流控制功能的實(shí)現(xiàn)。骨骼追蹤技術(shù)是Kinect的核心技術(shù)，其技術(shù)是通過紅外線投影機(jī)來感知外部環(huán)境的。所以，外部環(huán)境中是否有光照，并不影響Kinect的骨骼追蹤功能。Kinect骨骼數(shù)據(jù)流的獲取過程為：首先由Kinect紅外線投影機(jī)發(fā)生紅外線，并由深度（紅外）CMOS攝像頭接收外界物體對紅外光的反射，從而可以計(jì)算出視野范圍內(nèi)的每一個像素點(diǎn)的深度值，從而繪制出深度圖像，再從深度圖像中提取物體的形狀，然后利用物體的形狀信息與人體各個部位進(jìn)行匹配，最后計(jì)算出人體的關(guān)節(jié)位置即人體的骨骼數(shù)據(jù)流，該功能的實(shí)現(xiàn)結(jié)果的直觀表示如圖11所示。

3）關(guān)卡一隨機(jī)車輛生成功能的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前幾節(jié)已經(jīng)完成的功能，用戶擺動手臂帶動虛擬手掌在按鈕上握拳則切換界面進(jìn)入游戲關(guān)卡界面。關(guān)卡一中要是小車隨機(jī)在左側(cè)的管道生成，并且給小車一個勻速的運(yùn)動。因?yàn)槭艿街亓Φ挠绊?，如果沒有使小車從左側(cè)管道進(jìn)入橋梁的話，小車便會落下并且掉出游戲界面，在游戲界面外，如果小車坐標(biāo)的y值小于某個特定值則判定為小車出界，重新生成小車。判斷小車的x值，如果x值大于某個特定值則判定為小車到達(dá)終點(diǎn)，無論正確與否，重新生成小車。通過一個隨機(jī)數(shù)改變小車的出生的管道。小車顏色均為白色，用戶需要判斷小車生成的管道位置，做出左側(cè)橋梁的選擇，同時(shí)需要記住小車出生的管道，為右側(cè)橋梁搭建做準(zhǔn)備。具體的實(shí)現(xiàn)效果如圖12所示。

4）關(guān)卡二的用戶選擇數(shù)字功能實(shí)現(xiàn)。關(guān)卡二中的交互流程，和點(diǎn)擊按鈕功能類似，通過現(xiàn)實(shí)世界中用戶擺動雙手改變游戲場景中虛擬手掌的位置，通過虛擬手掌與數(shù)字之間的坐標(biāo)判斷，同時(shí)當(dāng)坐標(biāo)吻合時(shí)閉合手掌則判定為用戶對數(shù)字做出了選擇。其實(shí)現(xiàn)的效果如圖13所示。

5 結(jié)論

本文首先對不同用戶進(jìn)行了分析，結(jié)合阿爾茨海默病的病癥特點(diǎn)，對游戲進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括整體設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、關(guān)卡設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，繼而根據(jù)游戲的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體開發(fā)，主要有使用Kinect SDK完成了Kinect與Windows的通信，借助Kinect2.8.unitypackage插件完成了Kinect與Unity3d的通信，在Unity3d中利用微軟的Visual Studio 2019進(jìn)行各功能模塊的開發(fā)。本文提出的設(shè)計(jì)方案邏輯結(jié)構(gòu)完整，系統(tǒng)功能特色鮮明，既具有常規(guī)游戲的娛樂性和趣味性，又可對操作用戶產(chǎn)生一定的阿爾茨海默病預(yù)防效果。

本文較為完整地提出針對阿爾茨海默病預(yù)防的游戲設(shè)計(jì)方案和簡單的功能模塊實(shí)現(xiàn)，對于該類商業(yè)游戲的設(shè)計(jì)有著一定的借鑒意義。然而，在聲音、音效、可玩性等諸多方面存在不足及需要完善的地方，未來應(yīng)根據(jù)商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)和要求，在性能與功能方面不斷改進(jìn)游戲系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王昳麗，姚志萍，倪英，等.認(rèn)知訓(xùn)練改善老年輕度認(rèn)知障礙的研究[J].老年醫(yī)學(xué)與保健，2021，27（4）：763-765，813.

[2] 侯繼文.輕度認(rèn)知障礙影響因素分析及決策樹模型研究[D].青島：青島大學(xué)，2020.

[3] 馬錫超，朱詩潔，林洋，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對腦卒中后認(rèn)知功能障礙患者康復(fù)療效的Meta分析[J].中國循證醫(yī)學(xué)雜志，2021，21（8）：907-914.

[4] 孫強(qiáng).視覺意向維度下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具身關(guān)系研究[J].東南傳播，2021（2）：6-10.

[5] 景靜.記憶訓(xùn)練對遺忘型輕度認(rèn)知障礙老年人記憶力的影響[D].北京：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，2013.

[6] 徐言東，鄒任玲.基于Unity3D的輕度認(rèn)知障礙康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（9）：119-121.

[7] 劉佳琪.基于用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)中的微交互設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（16）：25-26，28.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】

收稿日期：2021-10-10

作者簡介：李暉（1977—），男，江西南昌人，通信作者，高級工程師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用研究;朱曉翠（1981—），女，江蘇揚(yáng)州人，副研究員，學(xué)士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用及研究。