在穿戴式裝置上設計互動式遊戲：使用X3D實作

前  言

第1 章　X3D 互動遊戲互動設計概述
1.1 虛擬實境技術
1.2 擴增實境技術
1.3 可穿戴智慧裝置
1.4 VR/AR 互動遊戲體感互動技術

第2 章　X3D 互動遊戲開發環境與檔案架構
2.1 VR/AR 互動娛樂媒體開發平台
2.2 X3D 互動遊戲開發環境
2.3 X3D 互動遊戲設計
2.4 X3D 互動遊戲場景結構設計

第3 章　X3D 互動遊戲建模互動設計
3.1 X3D 互動遊戲幾何建模演算法分析
3.2 X3D 互動遊戲幾何建模分析
3.3 X3D 互動遊戲幾何建模開發設計
3.4 X3D 互動遊戲路燈造型專案開發案例

第4 章　X3D 互動遊戲場景互動設計
4.1 X3D 互動遊戲場景演算法分析
4.2 X3D 互動遊戲場景建模分析
4.3 X3D 互動遊戲場景開發與設計
4.4 X3D 互動遊戲建模重定義技術和重用技術
4.5 X3D 互動遊戲旋轉的地球儀案例

第5 章　X3D 互動遊戲進階建模設計
5.1 X3D 互動遊戲進階建模分析
5.2 X3D 互動遊戲進階建模語法剖析
5.3 X3D 互動遊戲進階建模開發與設計
5.4 X3D 互動遊戲臂力健身器案例

第6 章　X3D 互動遊戲互動光影繪製設計
6.1 X3D 互動遊戲光影效果繪製設計
6.2 X3D 互動遊戲光影效果語法剖析
6.3 X3D 互動遊戲背景光影繪製開發設計
6.4 X3D 互動遊戲背景互動控制專案案例設計
6.5 X3D 互動遊戲檯燈互動控制專案案例設計

第7 章　X3D 互動遊戲進階攝影機影視設計
7.1 X3D 互動遊戲視點與導覽分析
7.2 X3D 互動遊戲視點與導覽語法剖析
7.3 X3D 互動遊戲視點開發與設計
7.4 X3D 互動遊戲導覽開發設計
7.5 X3D 互動遊戲影視動畫原理分析
7.6 X3D 互動遊戲影視動畫身歷聲語法分析
7.7 X3D 互動遊戲影視播放專案案例設計
7.8 X3D 互動遊戲環繞身歷聲專案案例設計

第8 章　X3D 互動遊戲曲線、曲面互動設計
8.1 X3D 進階建模演算法分析
8.2 X3D 互動遊戲曲線、曲面進階建模語法剖析
8.3 Nurbs 曲線專案案例設計
8.4 X3D 曲面專案案例設計
8.5 X3D 子彈專案案例設計
8.6 X3D 卡通面具專案案例設計

第9 章　X3D 互動遊戲虛擬人、粒子煙火互動設計
9.1 X3D 虛擬人分析設計
9.2 X3D 虛擬人運動分析
9.3 X3D 虛擬人動畫設計語法剖析
9.4 X3D 虛擬人運動專案案例設計
9.5 X3D 粒子煙火系統設計
9.6 X3D 粒子火焰運動演算法設計
9.7 3D 粒子火焰案例分析

第10 章　X3D 互動遊戲互動體驗設計
10.1 X3D 互動遊戲互動設計語法分析
10.2 X3D 互動遊戲背景節點互動設計
10.3 X3D 互動遊戲拉開窗戶互動專案案例設計
10.4 X3D 互動遊戲商場旋轉門互動專案案例設計
10.5 X3D 互動遊戲開啟兩扇房門互動專案案例設計
10.6 X3D 互動遊戲鍵盤互動專案案例設計

第11 章　X3D 互動遊戲互動動畫設計
11.1 X3D 互動遊戲互動動畫設計與策劃分析
11.2 X3D 互動遊戲互動動畫語法分析
11.3 X3D 互動遊戲電子錶專案
11.4 X3D 互動遊戲移動、旋轉、縮放互動專案
11.5 X3D 互動遊戲變色、變形以及純量互動專案
11.6 X3D 互動遊戲聖誕樹專案

第12 章　X3D 互動遊戲AI( 智慧感知) 互動遊戲設計
12.1 X3D 互動遊戲智慧感知動畫遊戲語法分析
12.2 X3D 互動遊戲能見度智慧感知雙飛碟飛行專案
12.3 X3D 互動遊戲親近度智慧感知自動門專案
12.4 X3D 互動遊戲掉落球體專案
12.5 X3D 互動遊戲投擲飛鏢專案
附錄A X3D 互動遊戲互動節點圖示
附錄B ASCII 碼字元集全表

前言

　　隨著電腦軟、硬體和「網際網路+」的快速發展以及人機互動裝置的不斷改朝換代，互動遊戲技術已漸漸地走入人們的生活，例如通訊及娛樂的行動終端裝置的使用(iPad、智慧型手機等)，但這種互動還處於初級階段。如果要實現真正身臨其境的互動設計，還需要配備虛擬實境硬體裝置和軟體產品，以及以虛擬實境技術為代表的前端的主流互動遊戲互動形式。深度互動遊戲互動設計以擴增實境可穿戴裝置為載體進行深度互動，例如虛擬頭盔、虛擬體驗館、智慧手錶、智慧手環、智慧背包、智慧鞋等。

　　互動設計(Interaction Design) 是指人與機器互動設計，旨在透過設計讓電子產品、環境、系統和服務等更進一步地為人類服務。互動設計以人為設計中心，圍繞人的情感、生理、心理等因素進行更合理的設計，表現人的感覺器官，如聽覺、視覺、嗅覺、觸覺、味覺、語言溝通等元素，這都是互動設計的重要因素。互動設計是一門將電腦、網際網路技術、藝術設計、人工智慧、微電子技術、感測器技術以及可穿戴技術相結合的高新技術。

　　人機互動(Human-Computer Interaction,HCI) 是指人與電腦之間以一定的對話模式或互動介面，完成確定工作的人與電腦之間的資訊交換過程，就是人如何透過一定的對話模式讓電腦完成他所希望完成的工作。

　　在20 世紀60—70 年代，早期人機互動只有以鍵盤輸入的字元介面互動；到了20世紀80—90 年代，以Windows 視窗、圖符、選單、按鈕以及滑鼠為基礎的圖形化使用者介面(GUI) 逐漸成為當時電腦使用者介面的主流。近年來，以使用者為中心的系統設計思維增進人機互動的自然性、加強人機互動的效率是使用者介面的主要研究方向。虛擬實境和擴增實境技術提供多通道使用者介面的設計理念和思維，包含語言、姿勢輸入、頭部追蹤、視覺追蹤、立體顯示、3D 互動技術、感覺回饋自然語言介面等。人體本身肢體的任何部分都可以成為人機對話的通道，例如肢體、手勢、語言、視覺、聽覺、肌肉電波、腦波以及情感交流等。

　　多媒體設計從單媒體到多媒體再到互動多媒體，人們的通訊方式一直在變革和發展。從單媒體依靠單一方式進行傳播到多媒體技術的發展，多媒體技術是單媒體的複合與擴充，整合了文字、圖形、影像、音訊以及視訊等各種傳播方式，更加多元化。

　　互動遊戲互動設計在多媒體技術的基礎上更進一步融合虛擬/ 擴增實境技術，具有更強的即時互動和使人身臨其境的沉浸感受，並整合了文字、影像、資料、音訊、視訊、串流媒體、3D 動畫、3D 遊戲、體感互動技術以及可穿戴技術等，實現「網際網路+」沉浸式即時互動遊戲互動設計理念。目前虛擬互動技術已完成人機互動部分，有多種與自然或虛擬世界的仿真模擬，並利用虛擬實境和擴增實境技術進行互動遊戲互動設計，最突出的是體感互動技術和可穿戴技術。互動遊戲進階互動技術可用於進階虛擬實境互動遊戲程式設計。同時，X3D 與伺服器互動應用，觸控互動傳感技術、聲音和視訊相結合，並使用跨平台的互動技術、串流媒體等。

　　X3D 擴增實境技術作為電腦的前端科技，是寬頻網路、多媒體、遊戲設計、虛擬人設計、資訊地理與人工智慧相融合的高新技術，是把握未來網路、多媒體、遊戲設計、虛擬人設計、資訊地理及人工智慧的關鍵技術。X3D 虛擬實境技術是目前電腦領域中最先進的科技，是21世紀初在國內、外興起的一種新型語言，發展前景十分廣闊，潛力極大。

　　X3D 是網際網路3D 立體圖形的國際通用軟體標準，定義了如何在多媒體中整合以網路傳播為基礎的動態互動3D 立體效果。X3D 第二代3D 立體網路程式語言在網路上建立逼真的3D 立體場景，開發與設計3D 立體網站和網頁程式，利用它可以執行X3D 程式直接進入Internet，還可以建立虛擬數位城市、網路超市、虛擬網路法庭、網路選房與展銷等，進一步改變了目前網路與使用者互動的二維平面的限制，讓使用者在網路3D 立體場景中實現動態、互動和感知交流，體驗具有身臨其境的感覺和感知。2004 年8 月，X3D 已被國際標準組織ISO 正式批准，成為國際通用標準。X3D 大有一統網路3D 立體設計的趨勢，具有劃時代的意義。X3D 可以在不同的硬體裝置中使用，並可用於不同的應用領域，例如虛擬遊戲、互動遊戲、軍事模擬、科學視覺化、航空太空模擬、多媒體再現、工程應用、資訊地理、虛擬旅遊、考古、虛擬教育及娛樂等領域。

　　X3D 互動遊戲互動設計具有以下特點。

　　(1) 豐富的多媒體功能：能夠實現各種多媒體的製作，例如在3D 立體空間場景幾何體上播放影視節目、環場身歷聲等。

　　(2) 強大的網路功能：在網路上建立3D 立體的X3D 場景和造型進行動態互動瀏覽、展示和操作，也可以透過執行X3D 程式直接連線Internet，建立3D 立體網頁和網站等。

　　(3) 程式驅動功能：X3D 最突出的特點是利用程式支援各種本機和網路3D 立體場景及造型。

　　(4) 遊戲動畫設計：利用虛擬實境語言開發設計遊戲軟體，例如虛擬駕駛、跑車遊戲、虛擬飛行、虛擬圍棋、虛擬象棋、虛擬跳棋、彈球、網路遊戲等。

　　(5) 虛擬人動畫設計：實現虛擬人行走運動設計，例如行走、坐立、運動、對話、表情、喜、怒、哀、樂等。

　　(6) 建立虛擬實境3D 立體造型和場景，提供3D、2D 場景和造型功能、轉換層級、光影效果、材質、多通道/ 多處理程序紋理繪製，實現更好的3D 立體互動介面。

　　(7) 資訊地理設計：利用虛擬實境語言開發數位地球、數位城市、城市規劃與設計以及虛擬社群等。

　　(8) X3D/CAD 元件：在X3D 上提供了CAD 節點與X3D 檔案相結合進行軟體專案的開發與設計，可以相當大地加強軟體專案的開發效率。

　　(9) X3D 事件工具元件：該元件的名稱是EventUtilities，當在COMPONENT 敘述中參考這個元件時需要使用這個名稱。

　　(10) X3D 自訂節點設計：使開發者可以根據實際專案的需求開發與設計使用者需要的新節點、節點類型以及介面事件等，以滿足軟體專案開發的需要。

　　(11) 使用者動態互動功能：以滑鼠為基礎的選取和拖曳，體驗鍵盤輸入的互動感。利用指令稿實現程式與指令碼語言互動設計，可以動態地改變場景，還可以利用資料手套、虛擬頭盔、3D 滑鼠、力回饋器等虛擬/ 擴增實境可穿戴硬體裝置，進行遊戲的互動設計。

　　(12) 人工智慧：主要表現在X3D 具有感知功能上，利用動態感知和感測器節點實現使用者與場景和造型之間的智慧動態互動感知效果。

　　本書讓讀者了解在軟體開發和程式設計方面，如何利用目前國際上最先進的開發工具和方法開發設計互動遊戲。本書全面、詳細地說明X3D 的語法結構、資料結構定義、概貌(profile)、元件(component)、等級(level)、節點(Node)、域(Field) 等，突出語法定義中每個「節點」中域的域值描述，並結合實際的範例來源程式深入淺出地進行啟動和說明，觸發讀者的學習興趣。為了讓讀者能夠更快地掌握X3D互動遊戲互動設計，本書配有大量的程式設計實例來源程式，而且都在電腦上經過嚴格的偵錯，供讀者參考。

　　本書由張金釗撰寫，參與撰寫的還有張金鏑教授以及鯨落新時尚網路科技有限公司的徐健經理。

　　「知而獲智，智達高遠」，探索和開發獲得未知領域知識，凝聚智慧高瞻遠矚才能有所突破和創新。「知識改變命運，教育成就未來」，只有不斷地探索、學習和開發未知領域才能有所突破和創新，為人類的進步做出應有的貢獻。「知識是有限的，而想像力是無限的」，想像力在發散思維的驅動下在浩瀚的宇宙空間中馳騁翱翔。希望讀者們在X3D 虛擬遊戲世界中充分發揮自己的想像力，實現您的全部夢想。

　　由於時間倉促，編者水準有限，書中的缺點和不足在所難免，敬請讀者批評指正。

　　作者電子郵件：zhzjza@21cn.com。