颈椎病预防和缓解AR游戏设计

重庆工程学院 廖武忠

根据《中国互联网络发展状况统计报告》我国当前网民数量达到惊人的9.04亿，互联网的普及程度更是达到了64.5%，而其中青少年普及程度更是达到了93.7%。而引起颈椎病的主要生理原因是长期姿势不正确，由于网络的普及，大量网民的坐姿无法长期正确地保持，即容易引起颈椎病。根据世界卫生组织公布的全新数据，颈椎病已经悄悄”荣居”全球十大疾病的亚军，而颈椎病也愈来愈年轻化，而年轻人是学习、工作、消费的主体，所有劲椎病严重影响了人们的学习、工作和消费。但是在颈椎病初期以及未发病时，人们会忽视颈椎病的预防和治疗。而较好的颈椎病缓解和预防方案是能在人们无形中或者人们感兴趣的事中去实施。

本文将通过游戏设计，实现融入劝导设计体验思想，改进图像处理算法，设计AR游戏，达到让玩家能在游戏过程实现颈椎病的缓解和预防，并养成做相关颈椎操的习惯，以达到根治颈椎病和拒绝颈椎病发生的目的。

1 颈椎病治疗与预防

由于颈椎病主要是颈椎的病变引起，轻微的颈椎病容易引起进食时吞咽不畅，腹胀便秘以及心动过速，严重者可能引起肢体肿胀，高血压，胸痛，瘫痪等症状，给患者带来学习，生活，工作上的不方便，以及给患者带来经济上的负担。而随着互联网的普及，颈椎病的发病率相对较高，达到17.3%，当前青少年的发病率更高达24.3%。

当前颈椎病治疗和预防的主要方法有：通过对颈部按摩的理筋法，对颈部按摩的理筋法，揉捏对应穴位以及药物透析法。而当前对应的产品主要有三类：牵引类产品、按摩类产品、颈托类产品。这三类产品都有一个不足之处，就是必须佩戴相关仪器，因而如果在户外使用非常不方便，对用户来说体验效果并不好。

余梦婷根据办公室用户特点，设计了符合办公室人群的颈椎操。董青英等研究了热奄包联合颈椎保健操对颈椎病患者治疗效果进行研究。曹丽等对在校大学生的颈椎保健操对劲椎病的治疗效果进行了跟踪与调查，并且高灼荣等人对编排颈椎操在大学生颈椎病的运动处方干预效果进行了研究，结果表明编排颈椎操对大学生的颈椎病治疗具有较好的效果，能较好地对颈椎病起到缓解和预防的作用。因此，颈椎操是一个方便、快速、有效的对颈椎病起到缓解、预防和治疗作用的方案。但是单纯的颈椎操，做的时间较久就会感觉枯燥，无趣，对此厌烦，因此不能坚持。

2 改进的图像处理算法

2.1 改进的边缘提取算法

本文提出在图像降噪过程中，应用图论的最短路径算法进行降噪处理，该算法可以较好地应对各种噪声，对噪声的处理实现不偏不漏。最短路径主要体现图中各个点的连通性，根据点和点之间的距离，找出其中最短的路径，该算法的连通性能反映各个方向的连通，所以对噪声处理效果较好。而最短路径算法主要应用Dijkstra算法和Prim算法。

2.2 视频序列的图像处理

在视频帧，除了运动物体，其他不运动物体的基本特征不变，虽然运动过程中，可能使图片的整体色差变换，但是图像的基本特征不会变换。所以通过2.1的边缘提取，得到每一帧的特征信息。再通过前后两帧的边缘信息差，得到运动物体的运动特征信息。其中处理算法步骤如下：

Step1.E1(i,j)－E2(i,j)=sub(i,j)（其中E为图像的边缘信息），并且标识其中大于零部分记为sub1(i,j)并且等于sub(i,j)，标识其中小于零部分sub2(i,j)为并且等于sub(i,j)的绝对值。

Step2.根据sub1(i,j)统计sub2(i,j)的5×5区域内非零点个数，如果非零点个数大于一个临界值设置运动标识矩阵sign(i,j)为1。

Step3.剔除sign(i,j)3×3区域内的非零点个数大于一个临界值，记为运动对象。

2.3 颈部运动算法

根据相机成像原理，由于物体相对相机的位置，会影响物体在图片上的相对位置，即如果物体相对向前后移动，物体在图片的相对位置就会改变，而在颈部上下移动的时候头部位置相对就有前后移动，所以头部相对图片位置不能反映颈部位置的改变。如果物体没有相对相机的前后位置移动，脸部在图片中的相对位置的上下移动，就能较好反映颈部的上下移动。而物体的左右移动，不受物体与相机的相对位置的影响，所以本文以脸部的上下左右移动，做为颈部的上下左右移动。该算法的步骤如下：

Step1.剔除非脸部位置：根据sign(i,j)在y方向上的最小值部分的临近部分记为头发的像素值，剔除边缘内头发相关的像素。

Step2.统计脸部在x和y方向的平均值。

Step3.计算前后两帧在x和y方向的差值，记为物体的相对运动位置。

2.4 颈部运动评分

按照前面图像处理算法得到给定颈椎操视频的相对位置序列记为Mi1 ≤ i ≤ n，线对改变相对位置进行标准化处理。通过unity里面的玩家的运动帧，记录最近运动状态改变的帧序列，按照上面的标准化处理得到。最后根据两个序列进行对比得到颈部运动的评分。

3 游戏的设计

3.1 游戏行为总体介绍

该游戏玩家行为主要流程框架为，当游戏玩家进入游戏后，提供三个选项供玩家选择。其中包括颈椎操跟我练，AR游戏模式，普通游戏模式。在颈椎操跟我练中，主要提供颈椎操视频播放以及颈椎操评分模式；在AR游戏模式中，通过图像处理算法得到的颈部和头部运动情况，对角色控制，并且在游戏策划过程对障碍出现按照颈椎操的顺序出现。普通模式，通过键盘以及手指滑动进行角色控制。在后面两种模式中角色死亡进入重新游戏和退出游戏界面。该游戏玩家行为的流程大致如下。

3.2 模式选择设计

由于该设计的主要目的是实现颈椎病的缓解和预防，所以游戏模式选择界面设计了跟我练和AR游戏模式.。跟我练模式的设计主要是为了让玩家认识颈椎操，了解标准的颈椎操做法，以及检验自己的颈椎操作法是否规范；AR模式主要是把颈椎操融入到游戏玩法里面，让玩家能在不自觉中完成颈椎操，实现颈椎的锻炼，达到缓解和预防颈椎病的目的。由于玩家不能长期做颈椎运动，而又为了让玩家对该游戏具有粘连性，设计了普通游戏模式，可以通过鼠标和触摸屏进行控制，并提供防沉迷机制。

3.3 跟我练模式的设计

该模式主要有两个功能颈椎操视频播放功能，练习评分功能。视频播放功能主要有三个小功能，即为视频播放，以及快进快退功能，添加快进快退功能，主要是为用户提供方便观看自己感兴趣，或者自己不会的某些动作进行重复练习。练习评分功能，主要是检验玩家动作是否标准，并指出动作不标准的地方。

3.4 AR游戏模式

该模式通过摄像机获取玩家头部运动的方向来控制游戏角色的移动，经常的晃动一下脑袋，对颈部有一个较好的保护，在运动过程中还可以获得玩游戏的乐趣，打发无聊的时间。引用AR技术，增强用户的体验感和游戏的易操作性。并且把颈椎操融入游戏中障碍物的出现规则里面，让用户在不自觉中养成颈椎锻炼的习惯，对颈椎病起到预防和缓解的目的。

3.5 普通游戏模式

该游戏模式主要目的就是为了增加玩家对该设计方案的粘连性，该模式的测试设计主要是按照游戏设计理念，通过由易到难的原则设计多重关卡，并在每一关卡里面，添加了复杂的游戏道具和种类繁多障碍物，使游戏玩法更丰富。该模式下主要在AR模式下，改变了角色控制方式，用用户习惯的键盘或手机屏幕滑动控制。并通过过关触发下一关卡开启，增强玩家对游戏的兴趣和征服体验。

图1 游戏玩家行为流程图

结论：本文主要对图像处理算法进行改进，达到对图像实时、有效的处理。通过图像处理结果控制游戏角色的移动，提高用户的参与度，加强游戏的粘连性。并且在游戏设计中引入颈椎操，并在游戏过程对用户的行为与世界颈椎操进行对比，进行不同奖励，激励玩家进行标准化的操作，让玩家在游戏过程中得到锻炼颈椎的目的，以实现颈椎病的缓解和预防行为目标。而该设计对相机内有多个运动物体处理还不够完善，以后还可以向该方向进行研究。