指哪打哪的游戏是如何实现的？ 揭秘光枪背后的原理

玩射击游戏使用键盘和鼠标好一些？还是使用手柄好一些？在面对这种问题时，相信很多人都会毫不犹豫地选择键盘和鼠标，因为这种操作方式相比于手柄操作更加精准。但其实还有一种更加原始、更加直接、更加容易上手的操作方式被大部分玩家所遗忘，那就是指哪打哪的光枪。不知道有多少朋友好奇过，为什么一把塑料玩具枪冲着屏幕来一枪，就能够击中游戏中的角色？那么今天硬核的AGamer就来与各位聊聊隐藏在光枪背后的秘密吧。


第一代光枪与《打鸭子》

早在FC红白机时期，就已经有光枪外设的存在了。与FC同捆发售的光枪外设具有手枪的外观，因此在日本的命名为“光线铳”，而欧美的名称则是“Zapper”。虽然它不是第一款光枪，但却是第一代光枪中名气最大的一款。尽管外形看上去是“枪”，名字里面也包含“枪”，但它并不是真正的“枪”，只不过是一个摄像头罢了。


那么摄像头是如何当做“枪”来使用的呢？大名鼎鼎的光枪游戏《Duck Hunt》，也就是国内俗称的《打鸭子》，相信绝大多数玩家都比较了解，下面就用《打鸭子》来分析一下第一代光枪的原理。


首先要知道的是，对于游戏来讲，屏幕并不是一整块的大区域，而是会被分为NxN的小区域。当玩家扣动光枪扳机时，屏幕会变成全黑色，这是用来检测光枪是否正对着屏幕。随后屏幕中的鸭子（目标区域）会依次变成白色，除了当前的鸭子是白色外，其他区域都是黑色。同一时刻最多只能有一直鸭子变白色，这是为了保证当前检测鸭子的唯一性。所有鸭子轮流变白一遍后，画面恢复正常，整个过程大约持续0.1秒。在这段时间内，光枪中的摄像头会去检测正对着的物体是否是白色，如果是白色则判断射击命中鸭子，否则就判断射击落空。


这种检测方式虽然巧妙，但是也存在着弊端：

1.因为光枪中摄像头只判断正对着的是否是白颜色，无法判断光枪正对着的精确位置，也就是说在检测瞬间对着白纸开枪也是会被系统判定为命中的。

2.这种游戏的原理注定要利用屏幕闪烁才能实现，因此目标越多，闪烁就越厉害，对眼睛的伤害就越大。


第二代光枪与阴极射线管

到了SFC超级任天堂时期，光枪也随之得到了升级。但是第二代光枪Super Scope必须配合采用隔行显示的CRT（阴极射线管）电视（俗称“大脑袋”或者“大屁股”电视）才能使用。这里知识点比较多，让我们一步步来了解。

• CRT电视的图像显示原理
  

CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线显像管）电视里面有一根真空管，一个或多个电子枪。当电子枪射出的电子束轰击荧光屏上时，就会让屏幕内测的荧光粉发光，众多的发光点按照一定的规则排布就形成了图像。


荧光粉受到高速电子的轰击时会吸收能量，其中的电子会从低能级跃迁到高能级，但由于高能级非常不稳定，马上又会从高能级回到低能级，并将能量以荧光（光能）的形式释放出来。这就意味着电子束轰击屏幕所能维持的发光时间是很短的，想要让屏幕稳定的发光就必须持续发射电子束。


电子枪并不是同时发出大量电子束同时打在屏幕上的，而是从电视屏幕的左上角开始，由左至右、从上到下以Z字型的轨迹扫过整个屏幕的。由于人眼具有视觉暂留现象（Persistence of vision），即在看到光的作用结束后，视觉影响并不立即消失， 而是暂留时间约为0.1至0.4秒（中等亮度的光刺激），于是便能够将屏幕上的发光点识别为一幅完整的影像。

• 隔行显示与逐行显示
  

按照正常的思路思考，电子束应该就是一行接着一行地扫描的，但事实并非如此。CRT有PAL和NTSC两种制式（区别见注释1），这里以国内国内使用的PAL制式说明，因为PAL电视垂直方向有625行扫描线，如果电子束一行一行地扫到最后一行最后一个点时，第一行第一个点可能早就熄灭了（带宽不够）。于是人们便想到了一个解决方式，那就是第一次扫描只扫描1，3，5的奇数行，第二次扫描只扫描2，4，6的偶数行，两次叠加就能够拼成完整的画面了。因为这种扫描方式是间隔着扫描的，也就取名为“隔行扫描”（interlaced scan），而一行接着一行扫描的方式就叫做“逐行显示”（progress scan）。


常常听到的480p和480i后面的字母就是表示扫描方式是逐行还是隔行。下面用一张动图来直观地表现一下这两种扫描方式的差别，虽然用时相同，但是感觉却是不同。假设显示一张完整的图（一帧画面）需要10秒钟，那么在5秒钟时，逐行扫描只能看到半个屏幕，剩下半个屏幕内容完全未知。但是隔行扫描已经可以大致猜出来要显示的内容了，剩下的靠自己脑补就足够了，无非就是一些细节可能猜不到而已（注释2）。


注释1：

PAL电视标准是：每秒25帧，电视扫描线为625线，奇场在前，偶场在后，标准的数字化PAL电视标准分辨率为720*576, 24比特的色彩位深，画面的宽高比为4：3, PAL电视标准用于中国、欧洲等国家和地区。

NTSC电视标准是：每秒29.97帧（简化为30帧），电视扫描线为525线，偶场在前，奇场在后，标准的数字化NTSC电视标准分辨率为720X486, 24比特的色彩位深，画面的宽高比为4：3。NTSC电视标准用于美、日等国家和地区。


注释2：

隔行扫描上可能会使得二维码显示不完全，用手机扫描CRT电视上的二维码无法识别就是这个原因。

• 第二代光枪原理
  

虽然光枪枪口看上去较大，但是真正感受光的元件接收范围还是很小的，光枪对准屏幕的范围略大于两行扫描线距离，因此隔行扫描时可以认定为对准的就是一个“点”。当玩家按下光枪扳机时，电视会先按照隔行扫描的方式绘制一个全白色的帧，当光枪收到白色信号时，游戏就可以计算出光枪对准的位置了。例如一行有10点，每个点扫描1秒，那么当光枪在第25秒收到白色信号时，就可以推算出它在第3行第5列。当然这只是为了便于理解的简化模型，实际上还要考虑消隐时间、扫描线回归时间等等。


如果游戏判断光枪位置与游戏目标位置相同，那么就判定为命中了。这种光枪的优点就在于精确度更高，而且不会出现第一代光枪那种作弊漏洞。而采用这种方式制作的游戏，也不用频繁刷新画面，也不那么累眼睛。


第三代光枪与红外线

随着科技的进步，CRT电视逐渐被背投电视、等离子电视和液晶电视所取代，第二代光枪就很难有用武之地了。这时任天堂又推出了不依靠CRT电视就可以游玩的第三代光枪，也就是2006年诞生的，以体感为卖点的Wii。与之前的主机与光枪配件的搭配形式不同，这次手柄与光枪合二为一，既可以当做控制器，又可以当做光枪。


Wii主机上的黑色条状部件叫做感应条（sensor bar），里面左右分别装有一个红外线LED。当用Wii手柄的前方对准屏幕时，手柄前方的红外摄像头会根据感应条中的两个LED光源的位置进行计算，从而得出手柄前方正对着的位置。需要说明的是，平时Wii手柄与Wii主机是通过蓝牙链接，而非红外线，所以玩非光枪类游戏没有必要将手柄正对着屏幕。


如果Wii的感应条失灵了的话，也有一些奇葩方式来修复，其中一种就是使用两个蜡烛来代替感应条中的红外线LED。


在一些大型电玩广场里经常能够看到光枪游戏，《VR特警》和《死亡之屋》就是两款非常流行的游戏。其实街机光枪游戏也有CRT显示器和液晶两种，前者的原理同前两代光枪，后者的原理类似于Wii。


拓展知识

索尼在PS3和PS4平台都推出了相应的体感外设控制器PS Move，配合枪托可以当做光枪来使用，但是原理却与前面提到的有所不同。PS Move前端配备会发出不同颜色光线的圆球，配套的PS Eye摄像头会以2D影像辨识方式追踪圆球位置。也就是说这种是通过摄像头来进行捕捉，与微软的Kinect的原理颇为类似。


光枪游戏兴起与衰落

光枪游戏曾经风靡世界，但现在已经比较小众了，这都是其玩法机制导致的。常见的光枪游戏有两种，一种是类似于《打鸭子》，场景固定，只能守候目标出现。这种机制注定了游戏内容不会太深，放到一些娱乐场所供大众游玩或者比赛效果还是不错的，但是长时间玩容易感到单调。


另一种类似于《VR特警》，玩家虽然也只能等候目标出现，但是游戏场景是变化的。玩家不能控制镜头画面，只能根据游戏自身进度进行前进、后退、转身等等，因此这类也叫作“轨道式射击”。


轨道式射击可以根据玩家的操作来决定接下来的行走路线，大大丰富了游戏的内容。很多大型游戏中心都会置备几台这种游戏，早年的《死亡之屋》和《VR特警》非常普及，之后也出现了屏幕更大，效果更好的《第一滴血》，近几年还出现了可以坐在车上的《丛林冒险》和《海盗大冒险》，更有支持4人联机、带有驾驶舱的《光环：渡鸦小队》。一些玩家会因好奇心而体验一下，但很少见到反复游玩的。


光枪游戏可以说是时代的产物，在电子游戏还处于早期阶段时，使用手柄游玩射击游戏是比较困难的。光枪外设的出现让玩家可以凭借身体本能进行游玩，指哪打哪的体验非常好。但随着电子游戏不断发展，游戏的操作越来越复杂，单凭光枪一个扳机键已经无法满足游戏的需要了，加上键盘与鼠标的出现，可以实现更加快速精准的打击，光枪游戏逐渐边缘化，更加偏向体验和休闲。感谢光枪游戏在那个时代带给我们的快乐，期待光枪游戏在未来能够有所突破。

来源：AGamer
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