【硕士论文】脚踏键盘游戏系统细化设计与实现

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1、 I华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘 要 摘 要 现代科技馆吸引参观者的是其独特的集科普教育、娱乐休闲和互动参与为一体的项目。本课题是广东科学中心数码世界的一个子项目，通过观众的互动性参与普及科技知识，集知识性、教育性、趣味性、娱乐性于一体。 本文在分析了展项的功能和特点后，定义为一个基于数据采集的脚踏键盘游戏系统，设计目标是参观者通过操作本展项，了解到键盘对于计算机的重要输入功能，同时体会用脚玩游戏的乐趣。系统主要由用户输入、数据采集、程序处理以及输出显示四部分组成，其中用户输入部分由专门设计的脚踏键盘实现，数据采集部分由研华科技的 PCI-1756

2、 采集卡实现。本系统所涉及的关键技术之一是采集卡和程序之间的通信，采用软件定时扫描的方式来获得采集卡的输入状态；关键技术之二就是DirectX 技术，DirectX 组件是微软公司开发的基于 Windows 平台的一组 API，它是为多媒体应用程序以及多媒体开发等应用服务的，本文针对其组件之一 DirectDraw的使用做了详细的阐述；本系统在游戏的程序设计中使用了大量的定时器，在关键技术中对定时器的使用也做了些讨论。游戏的程序设计是本文的重点，首先对系统操作流程、程序框架的建立做了简单的介绍，之后针对各个界面的设计要点及动画的实现配合流程图进行了详细的阐述。软件的开发完成后，配合定制的脚踏键

3、盘，系统的功能得以实现。 关键词关键词： 展示系统 数据采集 DirectDraw 动画设计 http:/ 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 课题的应用背景 课题的应用背景 个人电脑的构造是广东科学中心项目数码世界的子展项。该展项由四个系统构成，旨在向观众展示一台计算机由哪些部件组成、每个部件的功能、不同的 CPU 处理能力的体现以及体会键盘的输入作用。本课题属于对第四个系统脚踏键盘游戏展示的研究，借此展示系统让公众体会键盘的输入作用。 科技馆是一种以新型的展教手段对社会公众特别是青少年进行科学知识普及的社会公益性设施1。现代的科技馆不强调

4、历史性收藏，而以观众动手性、参与性的展览为主，以培训教育和实验教育为辅，以开发人的科学创造能力为目的，对社会公众进行科技教育2。 这种展览方式和教育手段， 演示的结果直观、 生动、 形象和逼真，对参观者具有很强的吸引力，具有很好地教育效果。考虑到整个展项是面向科技馆展示而做，系统设计除了要体现知识性、科学性之外，对系统的趣味性也有一定的要求。本系统选用了脚踏键盘来取代常见的键盘作为输入装置，让操作者在体验功能的同时又有新奇的感受。而结合本系统欲实现的功能，即让用户体验键盘的输入作用，专门设计的游戏则不仅仅体验了趣味性，更是科学性和知识性的表现。 1.2 科技馆项目开发的研究综述 科技馆项目开发

5、的研究综述 19 世纪初至 19 世纪中叶，出现了科技博物馆，这些科技博物馆主要是收藏陈列实物，但是 19 世纪末 20 世纪初，科技的发展相当迅速，许多展品已开始被解剖，并到后来逐步让观众能够参与，1906 年，世界上第一座新型科学技术博物馆德意志博物馆在慕尼黑诞生。20 世纪初期至 20 世纪中叶，美国兴建了一大批具有相当规模的科技博物馆，而且在项目开发上，普遍采用了观众参与的原则。到本世纪 60 年代，一些发达国家出现了大型科学中心(即大型博物馆)的机构，如 1969 年开放的加拿大安大略科学中心3。国外对科技馆的研究较多的是科技活动中心(Science and Technology C

6、enter)或者是技术博物馆(Technology Museum，其中包括了科技馆的研http:/ 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 究。对科技馆项目活动开发的研究始于 20 世纪 20 年代中叶 30 年代初，最初着重于从旅游者在科技馆内的行为来探讨如何迎合旅游者的旅游喜好，80 年代以来，这方面的研究逐渐量化。Diamond 1986 发现家庭团体游览的平均时间是 2 个多小时，游客约花费总时间的 80%在各项目上；Sandifer 1997 使用前人的分析数据应用于自己的研究认为，游客在科技馆的平均时间为 47 分钟，最短的时间只持续了 12 分钟，最长的

7、时间持续了 2 小时 23 分钟。 这些时间不包括游客在电影馆中所花费的平均 60分钟的时间和餐饮的时间； Serrell l 998 计算出平均一个游客花费 13 分钟在每个互动的项目上， 而他们平均在 29%的互动项日上停留， 20%的游客与 50 的项目发生互动。90 年代以来， 这方面的探讨变单一地从游客角度出发为从科技馆和游客双方面研究，即探讨科技馆应该开发出什么样的项目以最大程度吸引旅游者，增加旅游者在各个项目上的游览时间。 目前，对现代科技馆项目开发的研究内容十分广泛，主要有旅游者在游览前后的行为对科技馆项目开发的影响；科技馆客源的群体差异分析；影响旅游者在科技馆中的行为因素；科

8、技馆项目的吸引力和游客平均持续时间；室外科技中心与室内科技馆；科技馆项目的生存资金来源；影响家庭游览科技馆的因素；科技馆的项目设计与校外学习等。 现代科技馆项目的开发是否成功是科技馆是否成功的最重要因素，就像很多学者公认的那样：具体的、互动的项目在吸引力和持续力上有更大的优越性4。如德国不来梅市新建的太空中心的时光隧道，运用了各种实物和高科技手段，营造出了亦真亦幻的太空世界。Boron 和 Dritsas1997 就对于旅游者具有吸引力和持久力的项目特征做了如下概括：1.多边性：旅游者可以簇拥在项目周围；2.多用户：允许多个人和项目的互动；3.可理解性：项目可以被成人和儿童轻易和方便地操作；4

9、.多结果性:观察和结果具有复杂性以鼓励群体讨论；5.多样性：项目需展现不同的学习方式和不同层次的知识；6.可读性：项目的操作说明简单易懂；7.相关性：项目对旅游者己经存在的知识和经验提供认知链接。但是很少有人凭经验研究科技馆的项目应该如何设计、展示和开发，尤其在原先经验并不是很丰富的情况下。这表明了大多数研究集中在如何用相关的数据进行分析以确定科技馆项目开发与旅游者行为之间的关http:/ 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 系。在数据分析中，用的最多的是问卷调查，进行感知体验分析、矛盾分析、重要性分析。 西方对现代科技馆的研究主要是随学科的自然演变而来，科技馆项

10、目开发的研究构成西方博物馆学、设计学、旅游学、心理学研究的重要内容。虽然越来越多的研究者开始研究科技馆项目开发的问题，且研究注重以旅游者为中心并采用多种技术方法，但其理论性还是不强，很多概念也不是太清晰，框架也尚不明确5。 目前国内对科技馆的研究多集中在功能、旅游者行为、可持续发展研究以及构成与影响因素分析。 1.3 研究任务和目标 研究任务和目标 本文提出来一种基于实时数据采集的脚踏键盘游戏系统设计方案。具体描述了该系统的硬件设计、涉及的关键技术、程序详细设计以及系统的实现、测试和维护，通过该系统能够使参观者对键盘这一重要的输入设备有一个更深刻的理解。在本文中，对游戏设计的关键技术Direc

11、tDraw 贴图技术做了系统的研究和探讨，并对游戏程序设计的具体流程做了详细的介绍。 本文的目标是：通过业主的验收，并在正常的展示过程中，能够保证每天 8 个小时以上安全稳定的工作。 1.4 论文组织结构 论文组织结构 在本章即第一章中，对课题的应用背景及意义做了介绍，并阐述了科技馆项目开发的研究现状以及本文所要做的具体工作。 第二章从系统的总体设计入手，对展项的系统功能进行了概述，并由功能分析中总结系统特点、得出系统设计方案，由此开始对系统硬件系统的描述。 第三章跟据上一章提出的设计方案，对系统的硬件系统的构成进行了描述，并对部分硬件做了性能选择。对其中数据采集的关键硬件采集卡的工作原理做了

12、详尽的阐述，对脚踏键盘的设计原理，尤其键盘下开关的选择做了详细的解释。 第四章是关于系统关键技术的讨论，有了对这些技术的理解，才能够更好的理http:/ 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 解整个系统的运行，更好的理解上层软件的程序设计。首先对采集卡和程序之间的通信做了介绍，之后对程序设计的关键技术 DirectX 做以介绍，鉴于程序中的动画设计为一难点，选取 DirectDraw 的图形显示技术做了重点的讨论，而对于 DirectSound和 DirectShow 技术只做了简单的介绍，关于这两种技术的具体使用，可以参考朱晟仁师兄关于本系统的关键技术的讨论。之后

13、对定时器的使用做了简单的讨论。 第五章是本文的重点章节，对本系统的程序设计做了系统的详尽的介绍。首先对系统的操作流程做了设计，然后讲解了系统程序的框架结构，之后进入各个界面的具体的动画设计，理解了本章的设计，也就理解了这个游戏系统的动画设计的关键。 第六章介绍了系统的实现和测试情况，以及维护时应注意的问题。 http:/ 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 系统总体设计系统总体设计 本章从系统的设计目标入手，对展项系统的功能进行了概述，对展项的工作流程做了简单介绍。由功能分析得出系统主要由用户输入、数据采集、程序处理然后输出显示四部分组成。分析了系统的特点后，

14、得出本系统所关注的问题除了游戏程序设计外，也包含对实时数据采集模块的设计，引出了下面章节中对本系统硬件选择的讨论。 2.1 展项系统功能概述 展项系统功能概述 本系统的设计目标是通过用脚踏键盘打字和玩游戏方式，使参观者了解键盘是电脑的重要输入设备。本系统所使用的键盘一改往日常见的手敲键盘，而采用少见的脚踏键盘，使参观者在体验用脚玩游戏的乐趣的同时，体会键盘的重要输入功能。 整个系统的效果图如图 2-1 所示，两个透明亚克力挡板之间的地面上是我们的脚踏键盘，其按键的布局与笔记本电脑的键盘相像，每个键上都装有荧光灯，提示踏中此键；键盘上方的周围装有护栏；背板上放的横杆上挂有大屏幕显示器，用来显示游

15、戏动画。 整个系统由计算机渲染游戏背景，并显示到屏幕上，同时在不同的游戏背景中配以不同的音乐，使游戏者投入游戏并感受到键盘对于计算机的功能。操作流程为参观者踏任意键由待机动画返回打字界面，在此界面踏字母键后显示器会输出该字母及其对应的 ASCLL 码； 然后踏 Type/Game 键进入难度选择界面， 在此界面踏 Select键选择难度后踏 Enter 键进入卡通猪游戏；在游戏界面踏中了冒出卡通猪的洞的字母，会有礼物出现；当无人操作本展台达 60 秒时，系统自动进入待机动画。 根据展示效果及本系统要实现的功能，我们对整个系统的工作流程做了如下设计：当有人踩踏键盘的某个键，此键下的开关状态迅速做出改变，并保证不干扰其他没有被踩下的键。键盘下的这些开关和置于主机箱内的数字采集卡直接相连，开关状态的改变直接导致了采集卡该通道输入状态的改变。上层的程序不断的在扫描 http:/ 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 图 2-1 系统整体效果图 采集卡的输入，一旦发现某个通道的输入状态有变化，就会对其做出相应的处理，例如显示屏会卡通猪被打中了马上变成了各种各样的礼物。程序还会返回个采集卡一个信号，这个信号就是采集卡的输出，这个输出和键盘下的灯直接相连，由此来控制灯的亮或者熄灭。至此，踏下一个键后系统的处理工作完成。 2.2 系统的设计方案