頸椎病預(yù)防和緩解AR游戲設(shè)計(jì)

重慶工程學(xué)院 廖武忠

根據(jù)《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》我國當(dāng)前網(wǎng)民數(shù)量達(dá)到驚人的9.04億，互聯(lián)網(wǎng)的普及程度更是達(dá)到了64.5%，而其中青少年普及程度更是達(dá)到了93.7%。而引起頸椎病的主要生理原因是長期姿勢不正確，由于網(wǎng)絡(luò)的普及，大量網(wǎng)民的坐姿無法長期正確地保持，即容易引起頸椎病。根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的全新數(shù)據(jù)，頸椎病已經(jīng)悄悄”榮居”全球十大疾病的亞軍，而頸椎病也愈來愈年輕化，而年輕人是學(xué)習(xí)、工作、消費(fèi)的主體，所有勁椎病嚴(yán)重影響了人們的學(xué)習(xí)、工作和消費(fèi)。但是在頸椎病初期以及未發(fā)病時(shí)，人們會(huì)忽視頸椎病的預(yù)防和治療。而較好的頸椎病緩解和預(yù)防方案是能在人們無形中或者人們感興趣的事中去實(shí)施。

本文將通過游戲設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)融入勸導(dǎo)設(shè)計(jì)體驗(yàn)思想，改進(jìn)圖像處理算法，設(shè)計(jì)AR游戲，達(dá)到讓玩家能在游戲過程實(shí)現(xiàn)頸椎病的緩解和預(yù)防，并養(yǎng)成做相關(guān)頸椎操的習(xí)慣，以達(dá)到根治頸椎病和拒絕頸椎病發(fā)生的目的。

1 頸椎病治療與預(yù)防

由于頸椎病主要是頸椎的病變引起，輕微的頸椎病容易引起進(jìn)食時(shí)吞咽不暢，腹脹便秘以及心動(dòng)過速，嚴(yán)重者可能引起肢體腫脹，高血壓，胸痛，癱瘓等癥狀，給患者帶來學(xué)習(xí)，生活，工作上的不方便，以及給患者帶來經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。而隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，頸椎病的發(fā)病率相對較高，達(dá)到17.3%，當(dāng)前青少年的發(fā)病率更高達(dá)24.3%。

當(dāng)前頸椎病治療和預(yù)防的主要方法有：通過對頸部按摩的理筋法，對頸部按摩的理筋法，揉捏對應(yīng)穴位以及藥物透析法。而當(dāng)前對應(yīng)的產(chǎn)品主要有三類：牽引類產(chǎn)品、按摩類產(chǎn)品、頸托類產(chǎn)品。這三類產(chǎn)品都有一個(gè)不足之處，就是必須佩戴相關(guān)儀器，因而如果在戶外使用非常不方便，對用戶來說體驗(yàn)效果并不好。

余夢婷根據(jù)辦公室用戶特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了符合辦公室人群的頸椎操。董青英等研究了熱奄包聯(lián)合頸椎保健操對頸椎病患者治療效果進(jìn)行研究。曹麗等對在校大學(xué)生的頸椎保健操對勁椎病的治療效果進(jìn)行了跟蹤與調(diào)查，并且高灼榮等人對編排頸椎操在大學(xué)生頸椎病的運(yùn)動(dòng)處方干預(yù)效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明編排頸椎操對大學(xué)生的頸椎病治療具有較好的效果，能較好地對頸椎病起到緩解和預(yù)防的作用。因此，頸椎操是一個(gè)方便、快速、有效的對頸椎病起到緩解、預(yù)防和治療作用的方案。但是單純的頸椎操，做的時(shí)間較久就會(huì)感覺枯燥，無趣，對此厭煩，因此不能堅(jiān)持。

2 改進(jìn)的圖像處理算法

2.1 改進(jìn)的邊緣提取算法

本文提出在圖像降噪過程中，應(yīng)用圖論的最短路徑算法進(jìn)行降噪處理，該算法可以較好地應(yīng)對各種噪聲，對噪聲的處理實(shí)現(xiàn)不偏不漏。最短路徑主要體現(xiàn)圖中各個(gè)點(diǎn)的連通性，根據(jù)點(diǎn)和點(diǎn)之間的距離，找出其中最短的路徑，該算法的連通性能反映各個(gè)方向的連通，所以對噪聲處理效果較好。而最短路徑算法主要應(yīng)用Dijkstra算法和Prim算法。

2.2 視頻序列的圖像處理

在視頻幀，除了運(yùn)動(dòng)物體，其他不運(yùn)動(dòng)物體的基本特征不變，雖然運(yùn)動(dòng)過程中，可能使圖片的整體色差變換，但是圖像的基本特征不會(huì)變換。所以通過2.1的邊緣提取，得到每一幀的特征信息。再通過前后兩幀的邊緣信息差，得到運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)特征信息。其中處理算法步驟如下：

Step1.E1(i,j)－E2(i,j)=sub(i,j)（其中E為圖像的邊緣信息），并且標(biāo)識其中大于零部分記為sub1(i,j)并且等于sub(i,j)，標(biāo)識其中小于零部分sub2(i,j)為并且等于sub(i,j)的絕對值。

Step2.根據(jù)sub1(i,j)統(tǒng)計(jì)sub2(i,j)的5×5區(qū)域內(nèi)非零點(diǎn)個(gè)數(shù)，如果非零點(diǎn)個(gè)數(shù)大于一個(gè)臨界值設(shè)置運(yùn)動(dòng)標(biāo)識矩陣sign(i,j)為1。

Step3.剔除sign(i,j)3×3區(qū)域內(nèi)的非零點(diǎn)個(gè)數(shù)大于一個(gè)臨界值，記為運(yùn)動(dòng)對象。

2.3 頸部運(yùn)動(dòng)算法

根據(jù)相機(jī)成像原理，由于物體相對相機(jī)的位置，會(huì)影響物體在圖片上的相對位置，即如果物體相對向前后移動(dòng)，物體在圖片的相對位置就會(huì)改變，而在頸部上下移動(dòng)的時(shí)候頭部位置相對就有前后移動(dòng)，所以頭部相對圖片位置不能反映頸部位置的改變。如果物體沒有相對相機(jī)的前后位置移動(dòng)，臉部在圖片中的相對位置的上下移動(dòng)，就能較好反映頸部的上下移動(dòng)。而物體的左右移動(dòng)，不受物體與相機(jī)的相對位置的影響，所以本文以臉部的上下左右移動(dòng)，做為頸部的上下左右移動(dòng)。該算法的步驟如下：

Step1.剔除非臉部位置：根據(jù)sign(i,j)在y方向上的最小值部分的臨近部分記為頭發(fā)的像素值，剔除邊緣內(nèi)頭發(fā)相關(guān)的像素。

Step2.統(tǒng)計(jì)臉部在x和y方向的平均值。

Step3.計(jì)算前后兩幀在x和y方向的差值，記為物體的相對運(yùn)動(dòng)位置。

2.4 頸部運(yùn)動(dòng)評分

按照前面圖像處理算法得到給定頸椎操視頻的相對位置序列記為Mi1 ≤ i ≤ n，線對改變相對位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。通過unity里面的玩家的運(yùn)動(dòng)幀，記錄最近運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的幀序列，按照上面的標(biāo)準(zhǔn)化處理得到。最后根據(jù)兩個(gè)序列進(jìn)行對比得到頸部運(yùn)動(dòng)的評分。

3 游戲的設(shè)計(jì)

3.1 游戲行為總體介紹

該游戲玩家行為主要流程框架為，當(dāng)游戲玩家進(jìn)入游戲后，提供三個(gè)選項(xiàng)供玩家選擇。其中包括頸椎操跟我練，AR游戲模式，普通游戲模式。在頸椎操跟我練中，主要提供頸椎操視頻播放以及頸椎操評分模式；在AR游戲模式中，通過圖像處理算法得到的頸部和頭部運(yùn)動(dòng)情況，對角色控制，并且在游戲策劃過程對障礙出現(xiàn)按照頸椎操的順序出現(xiàn)。普通模式，通過鍵盤以及手指滑動(dòng)進(jìn)行角色控制。在后面兩種模式中角色死亡進(jìn)入重新游戲和退出游戲界面。該游戲玩家行為的流程大致如下。

3.2 模式選擇設(shè)計(jì)

由于該設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)頸椎病的緩解和預(yù)防，所以游戲模式選擇界面設(shè)計(jì)了跟我練和AR游戲模式.。跟我練模式的設(shè)計(jì)主要是為了讓玩家認(rèn)識頸椎操，了解標(biāo)準(zhǔn)的頸椎操做法，以及檢驗(yàn)自己的頸椎操作法是否規(guī)范；AR模式主要是把頸椎操融入到游戲玩法里面，讓玩家能在不自覺中完成頸椎操，實(shí)現(xiàn)頸椎的鍛煉，達(dá)到緩解和預(yù)防頸椎病的目的。由于玩家不能長期做頸椎運(yùn)動(dòng)，而又為了讓玩家對該游戲具有粘連性，設(shè)計(jì)了普通游戲模式，可以通過鼠標(biāo)和觸摸屏進(jìn)行控制，并提供防沉迷機(jī)制。

3.3 跟我練模式的設(shè)計(jì)

該模式主要有兩個(gè)功能頸椎操視頻播放功能，練習(xí)評分功能。視頻播放功能主要有三個(gè)小功能，即為視頻播放，以及快進(jìn)快退功能，添加快進(jìn)快退功能，主要是為用戶提供方便觀看自己感興趣，或者自己不會(huì)的某些動(dòng)作進(jìn)行重復(fù)練習(xí)。練習(xí)評分功能，主要是檢驗(yàn)玩家動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)，并指出動(dòng)作不標(biāo)準(zhǔn)的地方。

3.4 AR游戲模式

該模式通過攝像機(jī)獲取玩家頭部運(yùn)動(dòng)的方向來控制游戲角色的移動(dòng)，經(jīng)常的晃動(dòng)一下腦袋，對頸部有一個(gè)較好的保護(hù)，在運(yùn)動(dòng)過程中還可以獲得玩游戲的樂趣，打發(fā)無聊的時(shí)間。引用AR技術(shù)，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)感和游戲的易操作性。并且把頸椎操融入游戲中障礙物的出現(xiàn)規(guī)則里面，讓用戶在不自覺中養(yǎng)成頸椎鍛煉的習(xí)慣，對頸椎病起到預(yù)防和緩解的目的。

3.5 普通游戲模式

該游戲模式主要目的就是為了增加玩家對該設(shè)計(jì)方案的粘連性，該模式的測試設(shè)計(jì)主要是按照游戲設(shè)計(jì)理念，通過由易到難的原則設(shè)計(jì)多重關(guān)卡，并在每一關(guān)卡里面，添加了復(fù)雜的游戲道具和種類繁多障礙物，使游戲玩法更豐富。該模式下主要在AR模式下，改變了角色控制方式，用用戶習(xí)慣的鍵盤或手機(jī)屏幕滑動(dòng)控制。并通過過關(guān)觸發(fā)下一關(guān)卡開啟，增強(qiáng)玩家對游戲的興趣和征服體驗(yàn)。

圖1 游戲玩家行為流程圖

結(jié)論：本文主要對圖像處理算法進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到對圖像實(shí)時(shí)、有效的處理。通過圖像處理結(jié)果控制游戲角色的移動(dòng)，提高用戶的參與度，加強(qiáng)游戲的粘連性。并且在游戲設(shè)計(jì)中引入頸椎操，并在游戲過程對用戶的行為與世界頸椎操進(jìn)行對比，進(jìn)行不同獎(jiǎng)勵(lì)，激勵(lì)玩家進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的操作，讓玩家在游戲過程中得到鍛煉頸椎的目的，以實(shí)現(xiàn)頸椎病的緩解和預(yù)防行為目標(biāo)。而該設(shè)計(jì)對相機(jī)內(nèi)有多個(gè)運(yùn)動(dòng)物體處理還不夠完善，以后還可以向該方向進(jìn)行研究。