指哪打哪的遊戲是如何實現的？ 揭祕光槍背後的原理

玩射擊遊戲使用鍵盤和滑鼠好一些？還是使用手柄好一些？在面對這種問題時，相信很多人都會毫不猶豫地選擇鍵盤和滑鼠，因為這種操作方式相比於手柄操作更加精準。但其實還有一種更加原始、更加直接、更加容易上手的操作方式被大部分玩家所遺忘，那就是指哪打哪的光槍。不知道有多少朋友好奇過，為什麼一把塑料玩具槍衝著螢幕來一槍，就能夠擊中游戲中的角色？那麼今天硬核的AGamer就來與各位聊聊隱藏在光槍背後的祕密吧。


第一代光槍與《打鴨子》

早在FC紅白機時期，就已經有光槍外設的存在了。與FC同捆發售的光槍外設具有手槍的外觀，因此在日本的命名為“光線銃”，而歐美的名稱則是“Zapper”。雖然它不是第一款光槍，但卻是第一代光槍中名氣最大的一款。儘管外形看上去是“槍”，名字裡面也包含“槍”，但它並不是真正的“槍”，只不過是一個攝像頭罷了。


那麼攝像頭是如何當做“槍”來使用的呢？大名鼎鼎的光槍遊戲《Duck Hunt》，也就是國內俗稱的《打鴨子》，相信絕大多數玩家都比較瞭解，下面就用《打鴨子》來分析一下第一代光槍的原理。


首先要知道的是，對於遊戲來講，螢幕並不是一整塊的大區域，而是會被分為NxN的小區域。當玩家扣動光槍扳機時，螢幕會變成全黑色，這是用來檢測光槍是否正對著螢幕。隨後螢幕中的鴨子（目標區域）會依次變成白色，除了當前的鴨子是白色外，其他區域都是黑色。同一時刻最多隻能有一直鴨子變白色，這是為了保證當前檢測鴨子的唯一性。所有鴨子輪流變白一遍後，畫面恢復正常，整個過程大約持續0.1秒。在這段時間內，光槍中的攝像頭會去檢測正對著的物體是否是白色，如果是白色則判斷射擊命中鴨子，否則就判斷射擊落空。


這種檢測方式雖然巧妙，但是也存在著弊端：

1.因為光槍中攝像頭只判斷正對著的是否是白顏色，無法判斷光槍正對著的精確位置，也就是說在檢測瞬間對著白紙開槍也是會被系統判定為命中的。

2.這種遊戲的原理註定要利用螢幕閃爍才能實現，因此目標越多，閃爍就越厲害，對眼睛的傷害就越大。


第二代光槍與陰極射線管

到了SFC超級任天堂時期，光槍也隨之得到了升級。但是第二代光槍Super Scope必須配合採用隔行顯示的CRT（陰極射線管）電視（俗稱“大腦袋”或者“大屁股”電視）才能使用。這裡知識點比較多，讓我們一步步來了解。

• CRT電視的影象顯示原理
  

CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線映象管）電視裡面有一根真空管，一個或多個電子槍。當電子槍射出的電子束轟擊熒光屏上時，就會讓螢幕內測的熒光粉發光，眾多的發光點按照一定的規則排布就形成了影象。


熒光粉受到高速電子的轟擊時會吸收能量，其中的電子會從低能級躍遷到高能級，但由於高能級非常不穩定，馬上又會從高能級回到低能級，並將能量以熒光（光能）的形式釋放出來。這就意味著電子束轟擊螢幕所能維持的發光時間是很短的，想要讓螢幕穩定的發光就必須持續發射電子束。


電子槍並不是同時發出大量電子束同時打在螢幕上的，而是從電視螢幕的左上角開始，由左至右、從上到下以Z字型的軌跡掃過整個螢幕的。由於人眼具有視覺暫留現象（Persistence of vision），即在看到光的作用結束後，視覺影響並不立即消失， 而是暫留時間約為0.1至0.4秒（中等亮度的光刺激），於是便能夠將螢幕上的發光點識別為一幅完整的影像。

• 隔行顯示與逐行顯示
  

按照正常的思路思考，電子束應該就是一行接著一行地掃描的，但事實並非如此。CRT有PAL和NTSC兩種制式（區別見註釋1），這裡以國內國內使用的PAL制式說明，因為PAL電視垂直方向有625行掃描線，如果電子束一行一行地掃到最後一行最後一個點時，第一行第一個點可能早就熄滅了（頻寬不夠）。於是人們便想到了一個解決方式，那就是第一次掃描只掃描1，3，5的奇數行，第二次掃描只掃描2，4，6的偶數行，兩次疊加就能夠拼成完整的畫面了。因為這種掃描方式是間隔著掃描的，也就取名為“隔行掃描”（interlaced scan），而一行接著一行掃描的方式就叫做“逐行顯示”（progress scan）。


常常聽到的480p和480i後面的字母就是表示掃描方式是逐行還是隔行。下面用一張動圖來直觀地表現一下這兩種掃描方式的差別，雖然用時相同，但是感覺卻是不同。假設顯示一張完整的圖（一幀畫面）需要10秒鐘，那麼在5秒鐘時，逐行掃描只能看到半個螢幕，剩下半個螢幕內容完全未知。但是隔行掃描已經可以大致猜出來要顯示的內容了，剩下的靠自己腦補就足夠了，無非就是一些細節可能猜不到而已（註釋2）。


註釋1：

PAL電視標準是：每秒25幀，電視掃描線為625線，奇場在前，偶場在後，標準的數字化PAL電視標準解析度為720*576, 24位元的色彩位深，畫面的寬高比為4：3, PAL電視標準用於中國、歐洲等國家和地區。

NTSC電視標準是：每秒29.97幀（簡化為30幀），電視掃描線為525線，偶場在前，奇場在後，標準的數字化NTSC電視標準解析度為720X486, 24位元的色彩位深，畫面的寬高比為4：3。NTSC電視標準用於美、日等國家和地區。


註釋2：

隔行掃描上可能會使得二維碼顯示不完全，用手機掃描CRT電視上的二維碼無法識別就是這個原因。

• 第二代光槍原理
  

雖然光槍槍口看上去較大，但是真正感受光的元件接收範圍還是很小的，光槍對準螢幕的範圍略大於兩行掃描線距離，因此隔行掃描時可以認定為對準的就是一個“點”。當玩家按下光槍扳機時，電視會先按照隔行掃描的方式繪製一個全白色的幀，當光槍收到白色訊號時，遊戲就可以計算出光槍對準的位置了。例如一行有10點，每個點掃描1秒，那麼當光槍在第25秒收到白色訊號時，就可以推算出它在第3行第5列。當然這只是為了便於理解的簡化模型，實際上還要考慮消隱時間、掃描線迴歸時間等等。


如果遊戲判斷光槍位置與遊戲目標位置相同，那麼就判定為命中了。這種光槍的優點就在於精確度更高，而且不會出現第一代光槍那種作弊漏洞。而採用這種方式製作的遊戲，也不用頻繁重新整理畫面，也不那麼累眼睛。


第三代光槍與紅外線

隨著科技的進步，CRT電視逐漸被背投電視、等離子電視和液晶電視所取代，第二代光槍就很難有用武之地了。這時任天堂又推出了不依靠CRT電視就可以遊玩的第三代光槍，也就是2006年誕生的，以體感為賣點的Wii。與之前的主機與光槍配件的搭配形式不同，這次手柄與光槍合二為一，既可以當做控制器，又可以當做光槍。


Wii主機上的黑色條狀部件叫做感應條（sensor bar），裡面左右分別裝有一個紅外線LED。當用Wii手柄的前方對準螢幕時，手柄前方的紅外攝像頭會根據感應條中的兩個LED光源的位置進行計算，從而得出手柄前方正對著的位置。需要說明的是，平時Wii手柄與Wii主機是通過藍芽連結，而非紅外線，所以玩非光槍類遊戲沒有必要將手柄正對著螢幕。


如果Wii的感應條失靈了的話，也有一些奇葩方式來修復，其中一種就是使用兩個蠟燭來代替感應條中的紅外線LED。


在一些大型電玩廣場裡經常能夠看到光槍遊戲，《VR特警》和《死亡之屋》就是兩款非常流行的遊戲。其實街機光槍遊戲也有CRT顯示器和液晶兩種，前者的原理同前兩代光槍，後者的原理類似於Wii。


擴充知識

索尼在PS3和PS4平臺都推出了相應的體感外設控制器PS Move，配合槍托可以當做光槍來使用，但是原理卻與前面提到的有所不同。PS Move前端配備會發出不同顏色光線的圓球，配套的PS Eye攝像頭會以2D影像辨識方式追蹤圓球位置。也就是說這種是通過攝像頭來進行捕捉，與微軟的Kinect的原理頗為類似。


光槍遊戲興起與衰落

光槍遊戲曾經風靡世界，但現在已經比較小眾了，這都是其玩法機制導致的。常見的光槍遊戲有兩種，一種是類似於《打鴨子》，場景固定，只能守候目標出現。這種機制註定了遊戲內容不會太深，放到一些娛樂場所供大眾遊玩或者比賽效果還是不錯的，但是長時間玩容易感到單調。


另一種類似於《VR特警》，玩家雖然也只能等候目標出現，但是遊戲場景是變化的。玩家不能控制鏡頭畫面，只能根據遊戲自身進度進行前進、後退、轉身等等，因此這類也叫作“軌道式射擊”。


軌道式射擊可以根據玩家的操作來決定接下來的行走路線，大大豐富了遊戲的內容。很多大型遊戲中心都會置備幾臺這種遊戲，早年的《死亡之屋》和《VR特警》非常普及，之後也出現了螢幕更大，效果更好的《第一滴血》，近幾年還出現了可以坐在車上的《叢林冒險》和《海盜大冒險》，更有支援4人聯機、帶有駕駛艙的《光環：渡鴉小隊》。一些玩家會因好奇心而體驗一下，但很少見到反覆遊玩的。


光槍遊戲可以說是時代的產物，在電子遊戲還處於早期階段時，使用手柄遊玩射擊遊戲是比較困難的。光槍外設的出現讓玩家可以憑藉身體本能進行遊玩，指哪打哪的體驗非常好。但隨著電子遊戲不斷髮展，遊戲的操作越來越複雜，單憑光槍一個扳機鍵已經無法滿足遊戲的需要了，加上鍵盤與滑鼠的出現，可以實現更加快速精準的打擊，光槍遊戲逐漸邊緣化，更加偏向體驗和休閒。感謝光槍遊戲在那個時代帶給我們的快樂，期待光槍遊戲在未來能夠有所突破。

來源：AGamer
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