冰壶桌面投影游戏的设计与实现文献综述

一、文献综述

（一）国内外研究现状

近年来，体育发展多元化，体育电子游戏的诞生就是最好的证明，也是现代体育和传统体育的一次碰撞。早在2009年，英国学者加里·克劳福德就指出：“以体育为主题的电子游戏是众多电子游戏当中最为畅销的类型之一”^[3]。这一研究成为了后来国内诸多学者对体育类电子游戏进行研究的基础。当前国内对体育电子游戏没有统一的定义标准，但学术界有许多相关的名词，如网络体育游戏、运动模拟游戏等。若不进行严格的区分，这些名词的含义似乎是相同的，但实际上，根据其概念解释进行区分时能够清晰地进行分类。朱国生等对网络体育游戏的定义为是以互联网技术为核心，在互联网营造的虚拟环境中，在一定规则约束下，具有一定对抗性和在有限的时间内进行的娱乐性较强的网络游戏活动^[9]。于文谦等认为电子运动模拟游戏主要是指基于体育运动项目元素开发出的电子游戏，且这一游戏模式将体感操作这一基于身体活动的游戏形式融入其中，通过玩家自身的身体运动操作体育游戏，营造出真正的运动模拟场景^[10]。陈治等认为体育电子游戏就是一种新型数字化体育运动游戏，它把现实的体育运动模拟到了虚拟数字世界当中^[11]。

按照玩家游玩、交互方式不同，目前主流的体育电子游戏可以分为传统运动游戏和体感运动游戏两大类。传统运动游戏的主要载体是游戏主机、PC等各式电子游戏设备，玩家主要通过键盘鼠标、游戏手柄等控制、输入设备来进行游戏。这类体育电子游戏不需要玩家本身具备优秀的体能，或是高超的运动技巧，只要熟悉游戏中的按键操作，简单易上手，没有参与门槛。但相应的，按键映射的操作方式导致体育运动本质的健身功能缺失，而且缺乏真实感。体感运动游戏则是基于人机交互技术，使用包含有动作识别传感器的游戏手柄作为控制器，通过手柄震动、音效即时反馈等方式，全方位模拟运动场景。玩家通过手势、动作进行游戏交互， 能够获得更加真实的运动体验。体感操作的方式，符合体育以身体运动为本质的特征，将体育运动的健身功能与游戏的娱乐性恰当地融合在一起。

在体育运动与电子游戏的融合过程中，基于玩家需求所引发的游戏的真实性以及游戏与人之间的互动性的研究是重中之重。增强现实技术（AR）是在真实世界中叠加虚拟图像的技术。用户能够进行数字化操作，同时与现实世界和虚拟世界交互。基于AR技术来开发体育电子游戏，不仅能够为用户提供更真实、自然的运动体验，还是对体育电子游戏发展方向的创新探索。

根据显示设备与显示方式的不同，增强现实分为头戴式、手持式和空间式三类。头戴式AR的显示设备主要是头盔显示器（HMD）、眼镜等。与VR不同的是，AR中的HMD不会隔离现实世界，而是将现实世界和虚拟信息两个通道的画面叠加显示给用户。头戴式AR存在交互设备负载高，长期使用令人不适等缺陷，限制了其在AR领域的应用。手持式AR是目前AR应用领域的主流，使用智能手机、PAD等移动设备作为显示设备，因此又称移动AR。手持式AR已在我们的生活中得到广泛应用，例如基于位置的AR游戏《宝可梦GO》、百度地图的AR导航、宜家的AR家具展示等。手持AR在具有易于携带、较低交互负载等优势的同时，也存在以下缺点：有限的屏幕导致视场较小、手持设备限制用户活动的自由度、移动设备的芯片不是专为AR设计的导致图像处理效果不佳。

同头戴式AR与手持式AR相比，空间AR将用户与显示设备分离开来，减少了用户操作时的交互负载和认知负荷。基于显示方式的不同，空间AR也可分为三种：基于屏幕的视频透明显示、空间光学透明显示和基于投影的空间显示。基于投影的空间显示中，通过投影仪直接把数字图像投影到用户环境中，比如将冰壶的赛道投影到桌面上，以此来增强虚拟信息。如果虚拟信息的几何外形和物理实体的几何表面信息差距较大，还需要针对虚拟信息做几何调正来与物理实体进行适配。目前，典型的基于投影的增强现实系统一般由投影仪、物理环境、计算机系统和摄像头组成。利用摄像头与投影仪组合进行智能控制，基于计算机视觉的方法进行投影仪几何校准和光学校准。

（二）研究主要成果

体育电子游戏如今已是与报刊、电视、网络同等重要的体育传播媒介，它打破了人们对于传统体育运动的认识。1994年，KONAMI在超任主机上发布了《实况足球》，开启了体育电子游戏的新篇章。同年，EA Sport推出了FIFA系列的第一款游戏《FIFA足球》，后来EA Sport更是推出了《NBA实况》、《疯狂橄榄球》等体育游戏，涵盖了几乎所有的流行体育赛事。而日本任天堂公司则推出了以体感操作为主的Wii Sport系列运动模拟游戏，Wii Sport包含保龄球、网球、棒球等五类运动项目。在Wii之后，微软发布了他们的体感设备Kinect，并配套推出《Kinect Sports》、《Joyride》等体育电子游戏。

空间AR近年来也在多个领域得到了广泛应用，教育和医疗方面的成果尤具代表性。传统的手术规划受限于二维图像空间信息不足，Wen等提出的投影相机系统，通过手术模型的投影、校正和配准，直接在患者体内构建一个空间增强的真实手术环境，能够利用其允许多个用户从多角度观察融合场景的特点，帮助医生进行更精准的分析规划^[4]。在教育领域，博物馆是空间AR最大的应用者。空间AR体验真实、低交互负载、低认知负荷的特点，使其能够以更生动、易于接受的方式向参观者传达展品历史、背景。在杭州的京杭运河博物馆中就建立了专门的AR展览室，巨大的曲面屏配合船头形状的观赏平台，让参观者如同置身运河的货运船只上，随着船只的行进了解运河的历史，沉浸感十足。国外也有场馆利用基于投影的光学透明显示器来向参观者展示恐龙的软组织重建信息，将软组织数字图像覆盖在头骨模型上，进行动画演示^[5]。Laviole等展示了交互式投影教育应用——色彩模型实验，用户可以通过移动物理标记组合颜色，旨在让学生探索色彩^[6]。在游戏领域，AR应用也越来越多。2016年，任天堂发行了AR游戏《宝可梦GO》，它鼓励玩家多外出走动，在现实世界中寻找宝可梦。2020年，任天堂更是推出了《马里奥赛车Live》，它将传统的马里奥赛车游戏与AR技术相结合，允许玩家使用现实世界中的家具、物品搭建赛道，只要摆放好四个实体闸门，再控制带有摄像头的赛车模型通过闸门行驶一圈，赛车行驶过的轨迹就会变成赛道。在2012年，廖勇毅等也曾开发一款AR赛车游戏，将真实场景与虚拟物体结合作为赛道，不同的场景呈现给玩家带来了新奇的游戏体验^[12]。Pijnappel S等基于空间增强现实技术，开发了滑板运动游戏^[8]。在RMIT的悬挂式酒吧运动游戏项目中，通过引入空间AR数字元素、虚拟河流等，使玩家可以尽可能长时间地挂在练习杆上^[7]。