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力反馈技术全面分析
2009年12月20日    评论:    分享:


  力反馈技术本来是应用于军事领域的一种虚拟现实技术,主要用于飞行员、宇航员的模拟训练。随着计算机技术的发展,大型街机游戏厂商开始将这一技术引入电子娱乐领域,而随着技术的不断进步,专注于PC游戏控制器的厂商,也开始将力反馈技术应用到他们的产品上,从而让PC用户也能享受到力反馈带来的乐趣。

关于力反馈

  所谓力反馈(Force Feedback),是一种机械表现出的反作用力,将游戏数据通过力反馈设备表现出来能让我们身临其境地体验游戏中的各种效果。力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果,例如颠簸效果或者推动操纵杆时感受到的反作用力,这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的。

  由于最常见的力反馈效果都是以振动的形式表现出来的,因此人们经常会将游戏控制器的力反馈功能与振动功能相混淆,其实这是完全不同的两种技术。最为常见的带有振动功能的游戏控制器是SONY PS游戏机的Dual Shock手柄,Dual Shock手柄中包括两个电动机以及两个大小不同的转子,只能模拟出简单的或大或小的振动。而力反馈技术则比较复杂,以飞行模拟摇杆为例,摇杆的X轴和Y轴分别通过齿轮或者钢线连接到电动机,而电机则根据专用力反馈芯片发送的信号来工作。根据游戏中的实际情况,力反馈芯片可以模拟出真实的操纵感,而不是简单的振动。比如,在控制飞机爬升时,力反馈芯片会根据游戏中提供的数据模拟出飞机爬升时的反作用力,在摇杆上反应出来就是拉动摇杆时需要更大力度。

  虽然力反馈技术也能提供振动感,但与振动是完全不同的技术。而目前市场上的很多“力反馈手柄”其真实名称应该是“振动手柄”—因为这些手柄不可能做出像力反馈摇杆一样的效果,它能做到的只有“振动”。其实大家注意看一下一些振动手柄和力反馈摇杆的说明就一目了然了,振动手柄是“Vibration Feedback”(振动反馈),而支持力反馈的设备则通常带有“Force Feedback”(力反馈)字样。

  目前民用级力反馈技术主要掌握在Immersion与微软两家公司手中,它们也是目前力反馈产品市场的主要竞争对手。虽然目标相同,但在实现的原理上两家公司却有着很大的不同。在协议方面,Immersion公司推行它的i-Force协议,并提供i-Force API接口,而微软则支持ActiveX(DirectX)的API接口;在控制芯片方面,Immersion公司的力反馈设备采用i-Force 2.0,而微软则使用Sidewinder FF;在传动方面,微软通过内置的齿轮来产生一种机械式的振动,Immersion却采用钢缆进行线性传动。

力反馈的主要技术

  大家知道,力反馈技术有两种标准协议。一种是美国Immersion公司提出的i-Force协议,它包括i-Force1.0和i-Force2.0两个标准。早期的i-Force1.0协议由于采用数字和模拟信号并存的方式,因此信号传输率低,力反馈效果不理想;而97年制定的i-Force2.0协议采用了全数字传输和48MHz的16位微处理器,使得其力反馈性能显著提高。i-Force 2.0协议是Immersion公司于1997年发布的,支持这个协议的当然就是Immersion公司推出的i-Force 2.0芯片,这个芯片是一个触觉处理芯片,与图形加速芯片和声音处理芯片类似,只不过它是专为支持力反馈的计算机周边设备设计的,可以提供加速、优化等功能,使其模拟现实的效果更加流畅、逼真。i-Force 2.0是一块16位、48MHz的RISC芯片,为了保证芯片能够拥有足够的数据速率,可以支持串口和USB口两种连接方式。此外,i-Force协议为开放式协议,所有游戏设备制造厂家都可以使用,如罗技、CH、ACT等等。

  此外,Microsoft的Sidewinder FF协议也是市场上力反馈设备的主流协议之一,其性能上和i-Force2.0芯片相似,不过它采用的是与游戏口合二为一的MIDI口,其安装和使用上有时会很让人头痛。此外,由于微软没有开放Sidewinder FF标准协议,所以市场上支持Sidewinder FF标准协议的游戏控制器主要由微软自己生产。

  随着技术的进步,新一代力反馈感应技术也开始展露头角,主要有i-Touch触觉感应技术和G-Force G-Tilte动作感应技术两种。

  i-Touch触觉感应技术主要用在鼠标或轨迹球等产品中。通过i-Touch触觉感应技术捆绑相应的触觉感应软件,可以让用户自己建立具有个人风格的触觉反馈效果,比如在桌面、图标、菜单、超级链接上滚动轨迹球时,能体验到变化多端的力反馈效果,例如可以让你“触摸”到图像的边框或者体验“拖放”文件的不同感受。特别是为支持力反馈的游戏提供了更加真实的体验,让玩家感受到跑道上鹅卵石的颠簸、飞翔中猛烈的撞击以及导弹发射的强大后坐力等。该产品支持200种以上的游戏软件,包括《黑与白》、《半条命》以及《虚幻》等流行游戏。另外,它还支持所有应用了i-Touch触觉感应设计的网站,可以发送带有“触觉”问候的贺卡等,可通过软件设置多种不同的力回馈和振动方案。代表产品如罗技“动感旋貂”、Kensington轨迹球、Saitek ST330摇杆、R440方向盘等。

  而动作感应技术(G-Tilt)则主要用在动感游戏控制器中,该技术是基于ADI公司的ADXL202双轴iMEMS加速计提出来的,作为第四代加速计的ADXL202,其实是一种能感受重力、摆动、振动和运动的传感器。在物理结构上,实现G-Tilt或类似技术需要通过一系列高灵敏传感器来完成,它们能感知手柄外部重力和压力的变化,并通过传感器转换为信号,再由游戏手柄然进一步将其“翻译”并输入游戏能识别的常规指令。简单的说就是你只要在游戏时不断倾斜移动摇杆,就能完成飞机的上下起伏或左右摇摆。总之,由于这项技术是在标准的游戏控制器中安装一个重力感应器,在游戏过程中游戏控制器倾斜时,游戏控制器就会自动给电脑发送一个游戏指令,不需要任何按钮就可以完成要进行的工作。运用该技术的游戏控制器能感受到用户任何细微的动作和方向,可精确感应动作的倾斜度(包括上、下、前、后、左、右等所有三维空间的运动角度),同时将使用者身体的动作转换成游戏所能识别的信号指令,并在游戏中产生相应的动作,使用户可以用更加自然和直觉的方式来控制游戏的进行。动作感应技术这项技术是由力回馈技术衍生的,它的作用刚好与力反馈技术相反:力反馈技术是将游戏中的效果尽可能真实地反映给玩家,而动作感应技术则是将玩家的动作转化成游戏指令,从而控制游戏。它的代表产品有罗技的回力盾、Saitek P2000手柄、罗技极限天驹等。

力反馈的实现途径

  虽然各公司研发的力反馈技术稍有不同,但根本原理是一样的。因为实现力反馈技术的过程离不开电动机。所以,力反馈技术实际上可以理解成是对电动机的操作。以TouchSens为例,实际上i-Touch芯片的作用是将游戏或者鼠标箭头与物件接触时的信息转换成对应的一组波形数据并发送给电动机控制芯片,而电动机会根据相应波形数据运作,从而实现力反馈效果。而电动机做出反应后,如何将效果反馈给玩家,各个厂商之间使用的方式也各不相同。

  以罗技公司为代表的厂家所采用的是“线传动技术”,而以微软为代表的厂家采用的是“齿轮传动技术”。“齿轮传动技术”这种方式成本较低,效果也很不错,但在长期高强度使用后连续振动时可能出现齿轮打滑。因为齿轮的“牙”之间因为加工精度的关系难免会出现微小的间隙,这些细小的间隙会在摇杆反复振动的时候影响力反馈的效果,而且随着使用时间越来越长,这些间隙因为齿轮间的相互磨损也会越来越大,如果齿轮本身材质不特别好的话,还有可能会造成齿崩裂,这时这个摇杆的寿命也就到头了。而“线传动技术”是利用纲缆线为传动方式,比起齿轮振动来它的效果更为细腻和敏锐,其振动频率可达每秒250次,但其成本较高。而在使用时间长了以后,钢缆会因为受到反复拉扯的关系而伸长,造成灵敏度降低,而且万一钢缆断裂的话,力反馈效果也就失灵了。

关于API

  API全称为Application Programming Interface(应用程序接口),力反馈要想在软/硬件上自由发挥就需要API的帮忙。常见的力反馈API有i-Force API、Sidewinder FF API、i-Touch API和DirectX API等,其中DirectX API兼容性最好。DirectX是微软提出的一种API,DirectX让开发者能够针对这些接口做开发,而不用对不同的显卡、声卡、摇杆和其它特殊装置去单独开发。在DirectX出现之前,硬件制造厂商设计出一个全新的多媒体产品之后编写一个驱动程序非常麻烦,而且还经常会出现与硬件不兼容的情况,而DirectX的出现将这一切变得容易和简单。DirectX提供了一系列的API供Windows操作系统使用,它主要包括以下的模块:DirectDraw、Direct3D、DirectInput、DirectSound、DirectPlay、DirectShow和DirectMusic,其中DirectInput主管游戏数据的输入,这些数据可以是来自键盘、鼠标、游戏手柄或者其他力回馈等设备,在DirectX 5.0以后的DirectInput中加入了力反馈支持:DirectX 5.0以前,DirectInput支持从鼠标和键盘读取输入,而在DirectX 5.0中,DirectInput被扩充到支持具有以物理力的形式向用户传播反馈的能力的设备。

  DirectInput为游戏杆、头盔、多键鼠标以及力回馈设备等各种输入设备提供了最先进的接口,通过直接与设备驱动程序配合,DirectInput绕过了Windows消息系统,可提供最佳的性能。DirectInput的一个重要特性就是操作映射,通过操作映射能够在输入操作和输入设备之间建立连接,你只需输入设备处理指令,而不必再依赖特定的设备对象,操作映射是支持输入设备方面的一个重大进步。操作映射简化了输入循环,降低了游戏中对自定义游戏驱动程序、自定义设备分析器和自定义配置用户接口的需要。操作映射也包括了默认的用户接口,使用户可以快速简便地配置设备。此外,DirectInput目前支持很多不同的效果类型,这些效果的范围从完全由程序控制的低级持续力效果到由DirectInput或设备自己控制的高级倾斜或波动效果。效果有四种基本类型:持续力、倾斜效果、周期效果和条件。持续力是单一方向上不改变强度的力。倾斜效果是强度随时间线性变化的持续的力。周期效果是沿着给定的轴重复变化,其量级或者力的强度由周期效果定义。条件则是对用户与游戏杆的交互作用做出响应的效果。这种效果类似一根弹簧,操纵杆向某个方向推得越远,反弹力就越强。DirectInput API的代表产品是Microsoft的SideWinder Force Feedback Pro。

标签:力反馈
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