基于Arm Cortex-M3的體感節奏音樂游戲機設計

1、項目簡介

近年來，體感游戲和音樂節奏類游戲深受大家喜愛，是健身娛樂兩不誤的最佳選擇，同時也能讓對電子游戲無感的人群，依然能夠享受健身的樂趣。結合當下熱門的話題和游戲，本項目設計了一個智能體感節奏音樂游戲機，該游戲機是全體感的，玩家需要佩戴藍牙運動傳感器，通過手部動作進行游戲的開始、模式的選擇以及執行游戲過程中的動作。

2、系統設計

本次安謀杯的題目為智能游戲機設計，從題目出發，設計一個游戲機我們需要考慮使用什么進行游戲的交互，游戲該如何顯示，以及游戲的音樂如何播放，即交互、顯示、音效三大部分，有了這三個部分一個游戲機才算完整。因此我們所設計的SOC系統必須考慮如何高效實現這三個部分。

在游戲的交互上，從智能角度出發，我們希望玩家能通過無線傳感來實現游戲的交互，即只需要通過在屏幕前通過手部動作即可完成游戲的交互。因此我們使用了藍牙運動傳感器+藍牙接收芯片的方案，玩家佩戴傳感器，在FPGA端通過藍牙接收芯片接收藍牙運動傳感器的數據，并對玩家的動作進行識別。此外這部分也是最能體現智能的地方，我們在內部實現了K-means聚類算法的硬件加速器用于動作識別。

對于為什么選擇K-means聚類算法的原因是這樣的，首先我們希望實現的是全體感，在游戲過程中的所有場景下，都只需要通過手部動作進行選擇，那么就希望我們使用的動作識別算法，它具有非常高的靈活性，必須是可配置的，能夠隨意切換從而識別不同的動作。第二點我們的動作本質上并不復雜，以游戲的模式選擇來說，我們只需要識別到玩家向左切換游戲，即手往左揮，或向右切換游戲，即手向右揮，因此我們并不需要特別高的精度，而且這兩個動作實際上是很容易區分的?；谏鲜隹剂?，我們就想到了K-means聚類算法，通過預先進行訓練，存儲不同動作識別時需要的聚類中心信息，從而能夠隨意切換識別不同的動作，這也使得我們能夠只通過一個硬件設計多個不同游戲的動作。K-means聚類算法的硬件加速器如下圖所示。

在游戲的顯示上，我們必須有軟硬件協同設計的思想，我們的想法是CPU通過給出一個坐標，硬件部分就在顯示器的相應位置顯示游戲的素材。此外我們還需要考慮游戲素材可能會發生重疊，且游戲背景和游戲素材的重疊問題等，那么這就出現了優先級的問題，因此我們還設計了素材的優先級仲裁電路。同時我們考慮到如果游戲的素材過多，如果靠CPU一個一個地去改寫它們的坐標，那么肯定會影響系統的性能，這時候就需要硬件部分來解決這一問題，即提供一些批處理方法，使得CPU可以控制一批的素材。這個做法是很自然的，我們是在進行嵌入式設計的時候發現這一問題，然后再去改SOC系統的底層硬件。

在游戲的音效上，參考日常我們游玩的游戲，音效實際上應該有兩種，即背景音樂和觸發了特定事件的特效音樂的混疊。因此在音效的處理上，我們設計了一個音效混疊電路，其實就是兩者的簡單相加。為了提高音效播放的靈活性，我們還設計了相應的寄存器用于對背景音樂與特效音樂進行縮放，這樣可以讓特效音樂的聲音比背景音樂大，反之也是可以的。音效混疊的電路設計如下圖所示。

游戲的三要素至此我們已經有了充足的考量，但是從硬件具體實現上又出現了問題，主要是存儲的問題。首先是音樂和游戲素材的存儲，尤其是音樂，光靠板子的片上存儲資源是遠遠不能存儲一首歌，即我們必須滿足游戲對存儲資源容量的需求。通過SD卡就可以解決這些問題。而第二個問題就是存儲讀寫速度的問題，我們使用HDMI進行圖像傳輸，越高的分辨率對存儲的讀寫速度要求也更高，SD卡的讀寫速度遠遠無法符合游戲素材的實時傳輸(大家可以手動計算一下吞吐量)，因此我們必須使用外部的SDRAM作為顯存，因為SDRAM的存取速率相對而言是足夠的。

基于上述兩個問題的解決，我們設計了相應的DMA模塊，能夠在SD卡、SDRAM、片上存儲之間進行數據的傳輸，極大地提高了靈活性，后期需要添加游戲素材，只需要把游戲素材事先寫入SD卡中，再把其在SD內的地址存儲在keil內調用即可。而且我們拓寬一下思維，SD卡并不一定只能存音樂和游戲素材，我們還可以寫入一些音樂節拍的東西到SD卡中，CPU可以去讀出這一信息來實現音游，而不需要實時處理音樂的節奏信息。

3、游戲介紹

本游戲機實現了四個游戲模式，分別為Drum Master、Tennis Master、Double Boxing、Single Boxing。游戲的流程如下圖所示，所有步驟均是通過體感實現。

在Drum Master（擊鼓大師）模式下，音符塊會跟隨音樂的節奏信息出現，玩家需要等待音符塊到達目標點后進行擊打，不同的音符塊需要執行不同的擊打動作（即左手擊打與右手擊打）。這個游戲我們是仿照太鼓達人這個游戲來復現的，我們設計的游戲畫面如下圖所示。游戲中，音符塊會從右邊出現，音符塊有兩種類型，分別對應需要用左手敲還是右手敲。此外游戲畫面中還有歌曲的進度條、游戲的得分、游戲的連擊得分信息。

在Tennis Master（網球大師）模式下，音符塊會由5個通道根據音樂節奏隨機掉落，玩家需要事先將傳感器綁在腿上，在游戲中移動到對應的通道下，并揮拍(另一個傳感器是綁在手上)進行相應方向的擊打。如下圖所示。

在Double Boxing（雙人拳擊）模式下，此時為雙人游戲，共有三種不同的動作音符塊（直拳、擺拳、上勾拳），兩個玩家需要根據不同的音符塊做出相應的動作。而在Single Boxing（單人拳擊）模式下，共有六種不同的動作音符塊（左直拳、左擺拳、左上勾拳、右直拳、右擺拳、右上勾拳），玩家需要根據不同的音符塊做出相應的動作。

不管是哪個游戲模式，最后都會有一個玩家評分的總結，該評分是根據游玩過程中玩家的連擊數、擊中數等因素決定的。