基于阿爾茨海默病預防的交互式小游戲系統設計

李暉 朱曉翠

摘要：依據阿爾茨海默病患者的特點，以該病的預防為目標，文中提出了一種基于阿爾茨海默病預防的交互游戲系統，并詳細闡述了該系統的設計方案和研究內容，具體有：1）借鑒現有的預防辦法，對游戲的流程、交互、姿態和關卡進行了科學有效的設計;2）根據游戲的設計方案，借助于Kinect交互設備和相關開發工具，實現了游戲系統功能模塊的開發。最終形成的交互式小游戲系統的邏輯完整，在交互方面符合正常的人機交互模式，用戶有著良好的體驗。

關鍵詞：阿爾茨海默病;小游戲系統;Kinect交互設備

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0001-04

1 引言

隨著全世界現代化經濟的快速發展，老齡化的問題也越來越嚴重。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，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注。其中，最具代表性的就是阿爾茨海默病，據調查，在2015年全球阿爾茨海默病患者達到4600萬人，并且此數字增長速度十分顯著，預計到2050年該數字將會增長到1.315億人[2]。全世界無數的人力與財力都投入到了與此病的斗爭當中。

截至目前，阿爾茨海默病并沒有根治的辦法。在此現狀下，阿爾茨海默病的預防就成了重中之重。阿爾茨海默病是屬于神經系統退行性的疾病，主要的預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行交互游戲的設計。玩家通過大腦的活動做出相應的判斷，并進行對應的肢體活動。同時利用Kinect設備捕獲玩家的信息，實現人機交互的模式。使玩家在玩游戲的同時，達到對阿爾茨海默病預防的效果。傳統的預防過于無趣，基于計算機的游戲恰巧能彌補這一缺陷。

國內馬錫超[3]等在臨床的應用中獲知傳統的認知康復訓練與虛擬認知康復訓練對于阿爾茨海默病前期的認知障礙都有改善效果。并且虛擬認知康復訓練在對患者的注意力訓練與空間知覺訓練等方面效果均比傳統的認知康復訓練好，通過游戲形式的訓練模式更能激發患者主動參與的興趣與積極性。國外將計算機科學中的虛擬現實與認知障礙相結合的報道較多。Sebastian等將虛擬現實技術用于對視覺認知障礙的訓練當中，制作出了穿越虛擬路口的訓練工具軟件[4]。Chang等制作了結合Kinect的Kinempt系統[5]，用于對認知障礙患者的工作提示訓練，并且利用Kinect設備，開發了針對提升中老年人群的認知功能的交互游戲，通過3個小游戲對玩家進行訓練達到預防以及康復訓練的效果。“追尋箭頭”需要玩家在五秒內通過雙手指示出屏幕中隨機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，本文介紹了當前阿爾茨海默病的現狀與特點，并結合微軟提供的Kinect體感設備，使用Unity3d作為游戲開發引擎，采用主流的開發工具，設計一款預防阿爾茨海默病的三維空間的交互式體感小游戲系統。

2 游戲設計目標

游戲設計目標主要是達到預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，同時利用Kinect設備使用戶的肢體得到適當的活動甚至達到訓練的效果。為預防阿爾茨海默病患者設計，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此游戲達到益智的效果，所以目標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，因為往往老年人隨著年紀的增大，身體機能也會隨之開始正常的衰退，表現得更像一位小孩。因此在游戲畫面以及風格上不宜過激，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。同時考慮到女性患者遠高于男性，在場景界面設計方面會更偏向簡約風格。

在現有醫學技術之下，并沒有確定的方法可以完全治療阿爾茨海默病。針對于此結論，游戲設計的關注點在如何有效的預防發病。根據上海體育學院徐瓊的研究，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知障礙患病的風險。結合阿爾茨海默病初期病患的表現特點，患者會出現記憶力衰退，邏輯能力下降，視空間能力下降。現有的預防建議，主要包括腦部與肢體的鍛煉，以及生活飲食習慣。因此，此類游戲玩法設計上應著重考慮對用戶的記憶力訓練和邏輯能力訓練。

3 系統設計方案

3.1 游戲總體流程設計

用戶點擊游戲軟件后，用戶首先需要在Kinect設備的可視范圍內做出“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，應有三個按鈕：闖關模式、訓練模式、設置。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度條完成進入下一界面。闖關模式中，隨機調整關卡一和關卡二的出現順序，完成關卡后記錄得分，計算出玩家操作分對下回合闖關模式難度有所影響。訓練模式中，用戶可以自由選擇關卡進行訓練，每個關卡有三個難度可供選擇。關卡一中，用戶通過肢體搭建出正確的橋梁，使小車進入右側相同顏色的管道中得一分。關卡二中，用戶通過選擇出數字最大的選項第一分。游戲的具體流程設計如圖1所示。

3.2 游戲交互設計

交互即交流，游戲交互設計和其他產品交互設計又有所不同。交互設計是設計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。那么游戲交互設計正是設計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與產品，用戶與系統的交互任務。

結合所采用的是Kinect的交互設備，Kinect體感交互的實現，主要利用捕獲人物的關節點信息、手部姿勢信息和聲音信息來觸發相應的操作，完成人機交互的模式，Kinect設備交互流程如圖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、用戶在游戲關卡中與游戲本身形成交互。關于與UI間的交互，充分發揮Kinect傳感器的優勢，依托傳統的鍵盤鼠標與手柄。獲取左右手關節點的信息，經過轉換在屏幕中實時展示左右手的位置，代替了傳統鼠標移動的效果，當虛擬手掌移動到可交互的UI上，則會進行UI的高亮顯示來提示用戶。為了完整地代替傳統鼠標的功能，鼠標點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，另一方面已經通過使用左右手在三維空間中的滑動代替了傳統鼠標的移動，結合上采用左右手的閉合表示按下鼠標左鍵，使得在某種意義上用戶的雙手已經能夠很好地替代了鼠標的功能，給用戶更具有沉浸式的游戲體驗，具體如圖5所示。在傳統游戲中，當用戶點擊下鼠標后更希望立馬得到反饋，不然就會被當作網絡延遲，給用戶糟糕的游戲體驗。可是在Kinect設備下，當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了界面完成交互，這并不會給用戶良好的交互體驗，反而是讓用戶等待一段時間后再實現交互更好，唯一需要補充的是一定要讓用戶等待的時間進行可視化，所以本次采用了在點擊按鈕之后進行進度條讀取，完成進度條讀取之后再開始交互。

接著需要設計姿勢的交互，可按表1所示內容對其進行詳細設計。

3.3 游戲關卡設計

關卡設計對于整個游戲都至關重要，根據游戲關卡要素的設計內容，在設計不同關卡時要明確這個關卡設計出來的目的是什么，當用戶通過此關卡達成的成就或者被給予的獎勵是什么。同時在不同的關卡中也要有難易程度的區分。本預防阿爾茨海默病的交互游戲可設計為兩個游戲關卡和兩種游戲模式，具體如下：

關卡一：匹配小車，流程如圖6。左側從三個不同顏色的管道中出現勻速行駛的小車，右側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，使小車觸發的管道顏色與右側進入管道的顏色相匹配則得分。

關卡二：選出大數。屏幕中會定時出現四個氣泡數字，四個氣泡大小不同，上邊的數字也大小不同，氣泡生成的位置也不同，如圖9。氣泡大小會影響到數字的字體大小，用戶需要選擇在規定時間內選擇出數字本身較大的數字。

模式一：闖關模式。在主界面進入此模式，隨機出現關卡一和關卡二，分別記錄下通關后的分數，計算出操作分，用戶在上回合中的操作分會對下一回合關卡難度進行相應的調整。

模式二：訓練模式。在主界面進入此模式，用戶可以指定進行關卡一或者關卡二的訓練，在訓練模式中進入關卡，每個關卡有三個可供選擇的難度。

4 游戲實現

4.1 開發工具與開發環境

根據本游戲的主要設計內容和開發要求，本文采用了表2所示的開發工具和環境。

4.2 游戲功能模塊的實現

由于本文所述的游戲內容較多，限于篇幅，下面僅列其中三個功能模塊進行闡述。

1）深度數據流追蹤功能的實現。和許多輸入設備不一樣，Kinect能夠產生三維數據，它有紅外發射器和攝像頭。Kinect SDK從紅外攝像頭獲取的紅外數據后，對其進行計算處理，然后產生景深映像數據，具體如圖10所示。深度數據每像素記錄16位，也就是說每個像素的深度數據每需要2個字節，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，需要將游戲者索引位移除。Kinect之所以能感知外界環境，主要用到黑白光譜：在深度圖像中利用純黑表示無窮遠，利用純白表示無窮近。圖像中每一個像素的顏色則對應了外部環境中的真實物體到Kinect傳感器的物理距離。Kinect接收獲取范圍內的所有的點并顯示他們的深度的圖像。Kinect傳感器產生的深度數據流，以每秒30幀的速度實時地再現外部環境。

2）骨骼數據流控制功能的實現。骨骼追蹤技術是Kinect的核心技術，其技術是通過紅外線投影機來感知外部環境的。所以，外部環境中是否有光照，并不影響Kinect的骨骼追蹤功能。Kinect骨骼數據流的獲取過程為：首先由Kinect紅外線投影機發生紅外線，并由深度（紅外）CMOS攝像頭接收外界物體對紅外光的反射，從而可以計算出視野范圍內的每一個像素點的深度值，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行匹配，最后計算出人體的關節位置即人體的骨骼數據流，該功能的實現結果的直觀表示如圖11所示。

3）關卡一隨機車輛生成功能的實現。根據前幾節已經完成的功能，用戶擺動手臂帶動虛擬手掌在按鈕上握拳則切換界面進入游戲關卡界面。關卡一中要是小車隨機在左側的管道生成，并且給小車一個勻速的運動。因為受到重力的影響，如果沒有使小車從左側管道進入橋梁的話，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終點，無論正確與否，重新生成小車。通過一個隨機數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，做出左側橋梁的選擇，同時需要記住小車出生的管道，為右側橋梁搭建做準備。具體的實現效果如圖12所示。

4）關卡二的用戶選擇數字功能實現。關卡二中的交互流程，和點擊按鈕功能類似，通過現實世界中用戶擺動雙手改變游戲場景中虛擬手掌的位置，通過虛擬手掌與數字之間的坐標判斷，同時當坐標吻合時閉合手掌則判定為用戶對數字做出了選擇。其實現的效果如圖13所示。

5 結論

本文首先對不同用戶進行了分析，結合阿爾茨海默病的病癥特點，對游戲進行合理的設計。系統設計主要包括整體設計、交互設計、關卡設計和功能設計，繼而根據游戲的設計方案進行了具體開發，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進行各功能模塊的開發。本文提出的設計方案邏輯結構完整，系統功能特色鮮明，既具有常規游戲的娛樂性和趣味性，又可對操作用戶產生一定的阿爾茨海默病預防效果。

本文較為完整地提出針對阿爾茨海默病預防的游戲設計方案和簡單的功能模塊實現，對于該類商業游戲的設計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，未來應根據商業化標準和要求，在性能與功能方面不斷改進游戲系統。

參考文獻：

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[7] 劉佳琪.基于用戶體驗設計中的微交互設計應用研究[J].科技與創新，2021（16）：25-26，28.

【通聯編輯：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，主要研究方向為計算機應用研究;朱曉翠（1981—），女，江蘇揚州人，副研究員，學士，主要研究方向為計算機應用及研究。