数设项目展示：小恐龙大冒险！
游宇凡 @ouuan · 王博文 @abmfy · 2023.6.6
灵感来源
- Chrome 在未联网情况下访问网站会出现小恐龙彩蛋
- 能不能让“跳跃”变成真正的跳跃呢？
- 将小恐龙与 FPGA 结合，让玩家在获得快乐的同时也能达到健身效果
数设项目展示：小恐龙大冒险！
游宇凡 @ouuan · 王博文 @abmfy · 2023.6.6
1
灵感来源
- Chrome 在未联网情况下访问网站会出现小恐龙彩蛋
- 能不能让“跳跃”变成真正的跳跃呢？
- 将小恐龙与 FPGA 结合，让玩家在获得快乐的同时也能达到健身效果
2
项目成果
- 基本完整复刻了原版 Chrome 小恐龙的所有元素
- 画面分辨率 1280×800 @ 60Hz（实际画面大小 1280×300）
- 支持按键输入和传感器输入两种输入方式
- 传感器输入：通过绑在大腿上的传感器检测玩家跳跃和下蹲的动作（
可以用来健身） - 使用传感器时游戏难度较高，提供多条生命作为补偿
- 画面流畅，反应灵敏（使用按键时），试玩时轻松达到了电脑上个人纪录的两倍（11554 分）
3
整体设计简述
整体设计分为三大部分：传感器、游戏逻辑、画面输出。
游宇凡负责传感器和画面输出两部分，王博文负责游戏逻辑。
我们之间的接口非常简单，只有起跳、下蹲的信号，画面上每个元素的坐标信息，控制昼夜转换的信号，以及画面刷新信号、时钟信号等，大大降低了沟通成本。
4
现场展示
5
游戏逻辑
6
游戏逻辑 —— 跳跃/下蹲
- 实数的运算需要大量的时钟周期
- 通过额外的进制计数器来模拟定点数运算
- 通过状态机控制小恐龙运动状态
- 跳跃力度不同，跳跃高度也不同
7
游戏逻辑 —— 障碍生成
- 不能像软件代码一样拥有真正可变长的序列
- 维护了一个数组模拟的循环队列来管理障碍物
- 满足障碍生成条件时，从 7 种障碍物中随机生成并加入队列
- 当障碍从视野中消失时，移出队列
8
游戏逻辑 —— 障碍生成
- 障碍物的间隔根据障碍物的类型、当前游戏速度随机生成
- 问题：需要模运算，单周期内无法完成
- 解决：利用流水线除法器 IP 核多周期运算
- 通过状态机依次完成所有元素的更新
9
游戏逻辑 —— 碰撞检测
- 使用 AABB (Axis-Aligned Border Box) 可能造成误判
- 检验像素是否重合时间开销过大
- 拆分为多个子碰撞箱进行碰撞检测
- 由于硬件天然的并行特性，可以同时检测多个碰撞箱而不带来额外性能开销
10
游戏逻辑 —— 统一交互接口
- 逻辑模块内部使用统一的接口进行信号更新、碰撞检测、速度更新等操作
- 对显示模块提供统一的接口，输出元素坐标、元素材质、昼夜切换信号
- 框架建成后，增加新功能非常敏捷
output sprite_t sprite [RENDER_SLOTS],
output pos_t pos [RENDER_SLOTS],
output night_rate_t night_rate11
游戏逻辑 —— 其他小细节
- 地面看起来是完整的，但其实是两块拼起来的
- 一块移出屏幕左侧之后就会瞬移到屏幕另一边
- 有两种地面 (平整/崎岖)，随机出现
- 月亮有月相变化
- 每次新的夜晚到来的时候月亮都会变圆一些
- 直到满月之后再逐渐变瘦
- 随机数种子除了由实验板上拨码开关设定，还取决于开始游戏的那次起跳的时间
- 每一局都不一样！
- 各种想得到和想不到的坑
12
运动检测
- 6 页的 paper，完整地介绍了用深度学习方法实现跳跃的检测
- 我们有没有可能根据这篇论文，让这个了不起的发明在 FPGA 上重见天日？
- 终于，
在我们小组齐心协力、孜孜不倦、废寝忘食地研究了一个月后… - 我们放弃了，它太复杂了
- 不过，我们努力用基本的牛顿力学原理重现了它的神韵…
13
传感器
传感器焊接后固定在面包板上，放在为健身环设计的绑腿里，由充电宝供电，通过无线模块连接到实验板，采用 UART 协议通信，得到加速度、角度等原始数据。
- 外设的供电：纽扣电池电流不足改成充电宝供电（难点在于发现问题出在电流不足）
- 外设的连接：焊接排针 → 透明胶绑定 → 焊接所有连线
- 提高采样率：调高波特率，同时调整传感器和无线模块的设置
下蹲：很简单，和水平方向夹角够小就认为蹲下了。（抬腿太高会被误判，但正常玩的时候不误判即可。）
起跳：竖直方向上含 g 的加速度（向上为正）大于 −0.25g 就认为是在跳，这实际上是在检测玩家处于腾空状态（回忆一些初中物理）。尝试了各种花里胡哨的检测方法，效果都不如简单的阈值检测。由于灵敏度、延迟之类的问题，使用传感器时游戏难度较高，需要提供多条生命作为补偿。
14
画面输出
画面输出采用双显存 + ring buffer，元素绘制基于原版游戏使用的 sprite 图（略有修改），压缩至只有 8 种颜色并裁剪掉不需要的部分从而能放进片内 RAM 而不损失分辨率。将画面背景和元素逐个写入显存，每个元素就是 sprite 中的一个区域。
难点：时序设计
- 设计时钟频率（VGA 需要 83.46MHz 的高频时钟，很多计算难以完成；写入/读取显存采用不同的时钟）
- 处理信号跨域
- 处理耗时长的计算（计算昼夜渐变时采用打表而不是乘法）
- 修复 buffer / RAM 等导致的时钟周期偏移
15
Thanks
- 感谢老师、助教们的悉心指导
- 感谢所有一同奋斗过的同学们
- 感谢数设教学团队提供的实验平台及文档
- 感谢 Alex Forencich 编写的 Verilog LFSR 随机数生成器
- 感谢 tinyvga.com、fpga4fun.com 等网站提供的参考资料
- 感谢 Chromium 开发出小恐龙游戏并开放源码以供参考
- 感谢 Quartus 以及它的 PLL、RAM、ROM、除法器等 ip，
但是不感谢 ModelSim - 感谢 Vivado 提供的仿真支持
- 感谢 TUNA 群友（也就是杰哥）劝我选数设
- 感谢 GIMP 让我能够编辑出小恐龙大冒险的图标
16