UTILIZZO DI WIIMOTE E BALANCE BOARD COME STRUMENTO PER LA RIABILITAZIONE IN APPLICAZIONI REALIZZATE CON IL FRAMEWORK XNA

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1 POLITECNICO DI MILANO FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA INFORMATICA UTILIZZO DI WIIMOTE E BALANCE BOARD COME STRUMENTO PER LA RIABILITAZIONE IN APPLICAZIONI REALIZZATE CON IL FRAMEWORK XNA Relatore: Prof. Alessandro CAMPI Correlatore: Ing. Paola SPOLETINI Tesi di Laurea di: Enrico BONTEMPI Matricola n Roberto CARETTONI Matricola n ANNO ACCADEMICO

2 Indice Indice...2 Capitolo 1. Introduzione...5 Capitolo 2. L innovazione di Nintendo Wii...6 Capitolo 3. Il Wiimote [4] Pulsanti Accelerometro Accelerazione statica e dinamica Interpretazione dei valori rilevati Calcolo delle inclinazioni degli assi Puntamento Infrarosso Sensor Bar Tecnica di puntamento Posizione di puntamento Levigatura del cursore Altre funzionalità LED Rumble Speaker Estensioni Nunchuk Classic Controller Wii Motion Plus Wii Balance Board Capitolo 4. Interfacciamento e connessione dei dispositivi HID [5] L innovazione di HID Il protocollo HID Bluetooth HID Bluetooth [6]

3 4.2.1 BlueSoleil [7] Connessione del Wiimote Wiimotelib Creazione del canale di comunicazione Trasmissione dei pacchetti Capitolo 5. Ambiente di Sviluppo Microsoft Visual Studio 2008 [12] C# [13] Il Framework XNA [15] Struttura di un progetto XNA [16] Metodi predefiniti Componenti Grafica 2D Audio XACT Classe statica Audio Requisiti di piattaforma Capitolo 6. Ideazione del software Specifiche del software Design della batteria Criteri di movimento Composizione e disegno della batteria Determinazione e controllo della posizione del centro di massa Fase di gioco Modalità Free Capitolo 7. Gestione del Wiimote con Wiimotelib La classe Wiimote Metodi Eventi WiimoteCollection Le strutture dati Eccezioni

4 7.4 Implementazione della classe WiiMote Metodi della classe WiiMote Capitolo 8. Implementazione del videogame La classe DrumAble Modalità di esecuzione Compiti della classe DrumAble I componenti della sezione menu La classe Menu La classe Istruzioni La classe Tracklist La classe Speed La classe RiproduzioneSequenza Le tracce predefinite La classe Traccia I DataSet L input della fase di gioco La classe Percussione Rilevamento dei gesti Evento PercussioneChanged La classe BalanceBoard I componenti della fase di gioco La classe PlayScreen La classe Logica Capitolo 9. Sviluppi futuri Elenco figure Elenco Tabelle Bibliografia

5 Capitolo 1. Introduzione Nel 2006 Nintendo lancia la console Wii [1], appartenente alla settima generazione [2], la cui innovazione è insita nella nuova natura dei controller, che non sono più dei semplici telecomandi che permettono di comandare i giochi soltanto premendo dei pulsanti, ma dispositivi in grado di rilevare il movimento del corpo o di alcune sue parti rendendo così possibile un associazione tra gesti compiuti dai giocatori e azioni di risposta all interno dei videogame. Questo lavoro si colloca in un più ampio progetto di sviluppo di applicazioni rivolte a soggetti con disabilità motorie [3], quali individui paraplegici. Tale progetto consiste nella creazione di videogiochi con finalità terapeutiche, con l intento cioè di intrattenere gli utenti stimolandoli a compiere determinati movimenti, introducendo così l uso di questi software ad esempio nella riabilitazione post-trauma. Grazie alle loro caratteristiche, i controller di Wii si prestano particolarmente a questo ambito di progetto, e sono l ideale strumento di interazione con l utente in applicazioni di questo genere. L obiettivo di questo lavoro è sfruttare la tecnologia del Wiimote e della Balance Board mediante la creazione di interessanti applicazioni indipendenti dai pulsanti e governabili il più possibile attraverso i movimenti di un Wiimote e il rilevamento del baricentro tramite la Balance Board. Il prodotto di questo lavoro è un software che simula una batteria musicale, utilizzabile mediante il compimento di diversi gesti con il Wiimote, stando seduti sulla Balance Board. Questo progetto permette di estendere l ambito dei lavori svolti in passato, che si concentravano principalmente sull equilibrio e sul movimento del busto mediante l uso esclusivo della Balance Board, all utilizzo degli arti superiori. 5

6 Capitolo 2. L innovazione di Nintendo Wii Le innovazioni introdotte con Nintendo Wii [1] aprono varie frontiere nel videogaming in quanto l utilizzo di movimenti come input per i giochi permette di modellare in maniera molto più naturale le interazioni con l utente. Diventa così possibile simulare i gesti compiuti in discipline sportive, nell uso di strumenti musicali o di utensili attraverso i telecomandi di Wii, e introdurre tutte queste attività in svariati videogame che riscuotono notevole successo. Il controller principale della console Wii è il Wiimote; è un telecomando senza fili che comunica con la console attraverso la tecnologia Bluetooth. Il Wiimote è dotato di pulsanti, di un accelerometro in grado di rilevare i movimenti impressi al telecomando, e di altri dispositivi che consentono l interazione sia per l input che per l output. Al Wiimote possono essere collegati mediante un apposito connettore altri controller tra cui: Nunchuk, Classic Controller, WiiMotionPlus, chitarra e batteria di Guitar Hero e altri. Questi dispositivi vengono identificati dalla console come estensioni del controller principale, e il flusso di informazioni trasmesse relativo ad un estensione viene inglobato nelle informazioni del Wiimote. È possibile collegare una sola estensione al Wiimote, a meno che si tratti del WiiMotionPlus, che dispone di un connettore per estensioni, agendo così in modo trasparente e permettendo l inserimento di una seconda estensione. Un altro controller di Wii è la Wii Balance Board; è una pedana che comunica via Bluetooth con la console attraverso lo stesso protocollo utilizzato dal Wiimote, ma che differisce da quest ultimo come tecnologia interna in quanto è composta da quattro bilance che rilevano lo spostamento del peso dell utente che si posiziona sopra di essa. 6

7 Capitolo 3. Il Wiimote [4] Il controller di Nintendo Wii utilizza un approccio di interazione differente da quello tradizionale, nel tentativo di risultare interessante per un pubblico più vasto. Il Wiimote ha la forma di un comune telecomando da televisione e viene tenuto in una sola mano; Essendo simmetrico, appare ugualmente utilizzabile da destrorsi e mancini. Il componente principale del Wiimote è il chip Broadcom; esso è dotato di alcuni registri e di un microcontrollore, attraverso cui gestisce il flusso interno dei dati (input e output dalle periferiche interne) e le trasmissioni con la console. Il chip fa da riferimento per gli altri componenti interni al dispositivo, in quanto la struttura del Wiimote è progettata intorno ad esso. Vi sono due funzionalità di input direttamente controllate dal chip: un accelerometro a tre assi e 11 pulsanti (più il pulsante Power). In aggiunta, il telecomando, contiene un ricevitore infrarosso con un processore di monitoraggio oggetti, una porta d espansione che permette di collegarvi fonti di input addizionali (le estensioni), uno speaker e un rumble pack che consente al telecomando di vibrare. Figura 1: Wiimote 7

8 3.1 Pulsanti Il Wiimote ha 11 pulsanti sul lato frontale e uno sul retro; tra questi, il pulsante Power è speciale ed è considerato differentemente dagli altri dal dispositivo. Tutti gli altri pulsanti sono indipendentemente accessibili attraverso un pacchetto di 2 byte che viene trasmesso per primo nella maggior parte dei report. Il bit corrispondente ad un pulsante assumerà valore 1 se il pulsante è premuto oppure 0 in caso contrario. Di norma questi pacchetti vengono inviati quando lo stato di qualche pulsante cambia, ma è anche possibile configurare il Wiimote affinché invii lo stato dei pulsanti continuamente attraverso un alterazione del Data Reporting Mode. I pulsanti dei Wiimote sono i seguenti: A, B (retro), un Pad direzionale, +, -, Home, 1 e 2. Quando il Wiimote è spento, la pressione del pulsante Power provoca un tentativo di riattivazione della comunicazione con la Wii a cui è sincronizzato. I dettagli implementativi che portano all accensione non sono stati resi pubblici e sono contenuti nel modulo Bluetooth di Wii. La connessione del telecomando con un diverso host (pc) non può invece avvenire automaticamente ma occorre ripetere il procedimento di connessione dal software Bluetooth dell host. Se il Wiimote è acceso e connesso a un host, la pressione e il mantenimento del pulsante Power per qualche secondo fa sì che il telecomando richieda una disconnessione dall host e si spenga. Vi è inoltre un ulteriore pulsante nascosto nel vano batterie: il Sync Button. Alla pressione di tale tasto il Wiimote si disconnette dall host con il quale ha una connessione attiva e si pone in modalità di rilevazione accettando richieste di connessione o accoppiamento per esattamente 20 secondi. 8

9 3.2 Accelerometro Il Wiimote contiene un accelerometro lineare a tre assi posto sulla faccia superiore della base del circuito interno, leggermente a sinistra del pulsante A. Si tratta di un componente integrato semplicemente saldato al circuito: l ADXL330 di Analog Devices. Questo dispositivo può misurare l accelerazione di gravità statica per applicazioni che percepiscono l inclinazione, così come l accelerazione dinamica derivante da movimenti, scosse o vibrazioni. La misurazione avviene con valore minimo di fondo scala di ±3g e una sensibilità del 10% Accelerazione statica e dinamica Poiché il funzionamento reale dell accelerometro consiste nella misura della forza esercitata da un insieme di piccole masse di resistenza poste al suo interno nei confronti del guscio che le contiene, esso misura un accelerazione lineare di un punto di riferimento in caduta libera: questo significa che se il Wiimote fosse in caduta libera, riporterebbe accelerazione zero. Quand è immobile invece, rileva un accelerazione pari all accelerazione di gravità g (ma nella direzione opposta, verso l alto, +Z quando è fermo in posizione orizzontale). Questo dato può essere usato per intuire l inclinazione del telecomando dagli output di accelerazione quando il Wiimote è ragionevolmente fermo. Figura 2: Wiimote e assi direzionali 9

10 3.2.2 Interpretazione dei valori rilevati La Figura 2 rappresenta il Wiimote e gli assi di riferimento dell accelerometro: l orientamento degli assi permette di interpretare il valore letto per ognuno di essi e dedurne l inclinazione rispetto alla posizione piana (orizzontale) oppure la direzione del movimento dell accelerazione rilevata. Durante la fase sperimentale di studio del Wiimote si è notato che non tutti i movimenti vengono rilevati, ma il valore relativo ad un asse varia soltanto se tale asse si muove ruotando in un piano, necessariamente ortogonale al suolo, che lo contiene. Ad esempio il movimento rotatorio del polso, mantenendo il telecomando in posizione orizzontale, può essere modellizzato come la rotazione del piano XZ intorno all asse Y che funge da perno; tale movimento può essere rilevato dalle variazioni dei valori dei tre assi, riconoscendo una variazione positiva o negativa dei valori di X e Z (a seconda che la rotazione sia avvenuta in senso orario o antiorario) e una conservazione del valore precedente di Y. Al contrario, un movimento rotatorio del telecomando appoggiato su un piano (rotazione del piano XY con perno l asse Z) non può essere rilevato in quanto l asse Z funziona da perno e quindi non subisce scostamenti, e nonostante gli assi X e Y stiano effettivamente ruotando, non ne viene riscontrata una variazione dei valori in quanto il piano da essi costituito è parallelo al suolo e non ortogonale, quindi anche ripetendo o velocizzando il movimento l accelerometro non rileverebbe variazioni: come se il telecomando fosse fermo Calcolo delle inclinazioni degli assi Come conclusione allo studio del funzionamento dell accelerometro nell ambito dell accelerazione statica, si è cercata una formula che permettesse di tradurre i valori letti dal dispositivo nelle rispettive inclinazioni degli assi corrispondenti, interpretate come sfasamenti da una posizione base, e cioè un angolo di 0 equivalente a una posizione orizzontale, parallela al suolo, dell asse. A seconda dell inclinazione dell asse, il valore letto dal telecomando assume valori compresi tra +1 e -1. Definito l orientamento degli assi come mostrato in Figura 2, si è 10

11 messo in relazione il valore letto con la posizione dell asse, raggiungendo le conclusioni seguenti: Se l asse (X, Y, Z) si trova in posizione orizzontale, e cioè ortogonale alla direzione della forza di gravità, il valore rilevato è 0 Se l asse si trova nella stessa direzione della forza di gravità e con verso concorde (verso il basso), il valore rilevato è -1 Se l asse si trova nella stessa direzione della forza di gravità ma con verso discorde (verso l alto), il valore rilevato è +1 Ponendo a questo punto gli angoli corrispondenti alle posizioni limite (aventi la direzione della forza di gravità con verso concorde o discorde) rispettivamente -90 e +90, si può scrivere la seguente equazione che mette in relazione angoli e valori (fissati da un ipotesi teorica) di due posizioni limite: (Y 90 - Y α ) : (Y 90 - Y 0 ) = (90 - α) : (90-0 ) È un interpolazione lineare dove: Y 90 indica il valore di Y letto quando l asse Y si trova a +90 (Y 90 = -1) Y α indica il valore di Y letto quando l asse Y si trova all angolo α Y 0 indica il valore di Y letto quando l asse Y si trova a 0 (Y 90 = 0) α è l angolo corrispondente al valore dell asse Y letto (Y α ) Da questa interpolazione si può ricavare la formula finale: α = -90 Y α Che permette effettivamente di identificare in modo univoco l angolo (di sfasamento) corrispondente al valore dell asse letto. In Figura 2 sono indicati anche tre movimenti che in realtà non sono rilevabili dal Wiimote ma possono essere individuati se si dispone del WiiMotionPlus, che verrà successivamente trattato nella sezione estensioni. 11

12 3.3 Puntamento Infrarosso Il Wiimote contiene un ricevitore monocromo 128x96 con un elaboratore d immagine integrato. Il ricevitore si presenta come un filtro infrarosso nella custodia di plastica del telecomando. L elaboratore d immagine è capace di puntare fino a quattro oggetti in movimento, e questi sono gli unici dati che trasmette all host; i dati relativi ai pixel grezzi visti dalla telecamera non sono raggiungibili dall host, pertanto il ricevitore non può essere usato per catturare immagini. Il processore integrato effettua un analisi sub pixel 8x per fornire una risoluzione 1024x768 dei punti tracciati Sensor Bar La Wii dispone di una Sensor Bar contenente due gruppi di LED IR (infrarossi), che vengono tracciati dal Wiimote per fornire informazioni sul puntamento. La distanza tra i centri dei gruppi di LED è 20cm. La Sensor Bar non svolge nessun compito se non quello di supporto e alimentazione (tramite un cavetto particolare che la collega alla console) ai LED IR: funge in pratica soltanto da emettitore infrarosso. I LED IR costituiscono i punti di riferimento per il ricevitore infrarosso del Wiimote: questa correlazione permette di sfruttare un tecnica di puntamento nelle applicazioni; i valori letti vengono spesso elaborati e convertiti ad esempio per l uso di un cursore governato dal movimento del telecomando. Figura 3: Sensor Bar 12

13 3.3.2 Tecnica di puntamento La prospettiva derivante dalla combinazione degli angoli (verticale e orizzontale) tra il ricevitore e la Sensor Bar, può far apparire quest ultima in una posizione in cui non si trova realmente, ma attraverso semplici relazioni trigonometriche è possibile individuare lo sfasamento degli angoli tra gli emettitori e il ricevitore. Il primo passo dell algoritmo di puntamento è la localizzazione della Sensor Bar. Poiché potrebbero essere presenti fonti IR spurie, si rivela indispensabile individuare con precisione i due punti che più probabilmente corrispondono alla Sensor Bar. Per far questo si cercano due punti orizzontalmente allineati distanziati da uno spazio minimo predefinito (per rimuovere ogni possibile riferimento duplicato se il Wiimote rilevasse più punti raggruppati intorno ad un emettitore IR), usando l inclinazione calcolata dall accelerometro per determinare qual è il piano orizzontale cui riferirsi. Le coppie contraddistinte da un margine di sfasamento dal piano orizzontale superiore ai 10 vengono scartate. Tra le rimanenti coppie, vengono scelte le due che più si avvicinano al piano orizzontale; una coppia di punti con un terzo punto molto vicino alla linea immaginaria tra di essi viene scartata, in quanto non è possibile che vi sia un emettitore IR tra gli estremi, pertanto quella coppia non può essere la Sensor Bar. Se il Wiimote smarrisce il puntamento di una delle estremità, che può scomparire dalla vista una volta avvicinatosi ai bordi dell area di puntamento o quando ne esce, il telecomando tenta di proseguire usando il solo punto rimanente cercando di intuire la posizione del punto scomparso, ad esempio usando i valori della distanza (fissa) tra i due punti e i valori dell accelerometro per calcolare l angolo Posizione di puntamento Noti i due punti della Sensor Bar, viene ruotato il campo del sensore per farli apparire in allineamento orizzontale (usando i valori dell accelerometro per assicurare di essere nell esatto quadrante, ad esempio se il Wiimote fosse sottosopra). Si può probabilmente applicare almeno un filtro di base di movimento medio per ridurre gli scatti. Una volta mappata la Sensor Bar in un sistema di coordinate orizzontali, si può semplicemente calcolare la posizione intermedia tra i due punti e usarla per calcolare la posizione del 13

14 puntatore definendo un quadro per mappare lo schermo su di esso. La posizione di questo quadro può variare a seconda del luogo di posizionamento della Sensor Bar (sopra o sotto lo schermo). Il quadro dovrebbe essere proporzionatamente dimensionato in modo da accomodare più angoli senza aree morte. Una posizione di puntamento approssimata può essere calcolata mediante l uso delle seguenti formule: Rotation = Math.Atan2(Accelerometer.Z, Accelerometer.X) - (float)(math.pi / 2.0); Position = (1 - Midpoint.x, Midpoint.y); Position.Subtract(0.5,0.5); Position.Rotate(Rotation); Position.Add(0.5,0.5) Se il punto intermedio non fosse disponibile si può usare il punto rimanente e comparare la sua posizione corrente con la sua posizione quando entrambi i punti erano visibili Levigatura del cursore La conversione dei dati rilevati dal ricevitore IR in informazioni per il posizionamento di un cursore nello schermo consente a diverse applicazioni di sfruttare la tecnica di puntamento nel loro funzionamento. Questa tecnica risulta particolarmente vantaggiosa nei menu e nelle GUI; per queste applicazioni sarebbe auspicabile un filtraggio della posizione del cursore. Una strategia per questo scopo è l implementazione di uno schema circolare trascinabile; Il software disegna un cerchio immaginario attorno alla nuova posizione puntata; se il cursore si sposta al di fuori del cerchio, viene immediatamente trascinato al suo interno. In ogni caso, se il cursore si trova già all interno del cerchio, si muoverà in direzione del centro ad una velocità proporzionale alla distanza dal centro. Questa tecnica leviga il movimento del cursore e fa si che alcune piccole vibrazioni fisiche non muovano drasticamente il cursore, consentendo comunque piccole correzioni. Un altra opzione è un algoritmo che corregge più attentamente la posizione quando il Wiimote si muove lentamente e dà maggiore tolleranza in corrispondenza di movimenti veloci. L aspetto complesso di questo metodo sta nella difficoltà di apporto di piccole correzioni quando il telecomando viene mosso di pochi pixel. 14

15 3.4 Altre funzionalità LED Sul lato frontale del Wiimote sono presenti quattro LED azzurri. Durante la modalità di rilevazione e prima dell inizializzazione, questi LED lampeggiano assieme. Il numero dei LED che lampeggiano è proporzionale alla tensione sulla batteria, e indica la carica delle pile (tutti e quattro indicano batterie completamente cariche, e un led soltanto indica che le batterie stanno per esaurirsi e andrebbero sostituite). Il Wiimote è alimentato da due pile di tipo AA. Quando il Wiimote è sincronizzato alla console, uno dei LED è acceso e indica il numero giocatore assegnato dalla console al telecomando (fino a quattro giocatori). I LED sono comunque indipendentemente controllabili dall host, e possono essere accesi o spenti a piacimento dal software. I LED possono anche essere modulati ad una comunque moderata alta frequenza, abilitando un controllo di luminosità occupando però parecchia banda Bluetooth. I LED sono montati sulla parte superiore del circuito, alimentati a 2.66 V DC Rumble Il Wiimote include una funzionalità di vibrazione, la cui implementazione consiste in un piccolo motore unito a un peso decentrato (Rumble Pack). Il motore può essere attivato o fermato attraverso un Output Report. Non tutti i Wiimote montano lo stesso motore; uno di questi è il SEM 8728DA, alimentato a 3.3 V DC e a 35 ma Speaker Il telecomando contiene un piccolo altoparlante di 21 mm piezo-elettrico di bassa qualità, usato per brevi effetti sonori durante il gioco. I suoni provengono direttamente dall host e lo speaker ha qualche parametro regolabile. L altoparlante è controllato tramite tre Output Report assieme a una sezione del registro indirizzi del Wiimote. 15

16 3.5 Estensioni Il Wiimote dispone di un connettore d espansione a 6 pin che consente di connettervi periferiche esterne. La comunicazione è bi-direzionale seriale e sincrona (il protocollo è sconosciuto); le estensioni forniscono un blocco virtuale di registro mappato in una porzione dello spazio indirizzi del Wiimote; la comunicazione è crittografata. I dispositivi qui elencati sono tutte estensioni del Wiimote ad esso connesse tramite il connettore di cui sopra, fatta eccezione per la Balance Board che comunica direttamente con l host via Bluetooth Nunchuk È un telecomando di forma ovoidale leggermente più piccolo del Wiimote, dotato di un accelerometro a tre assi simile a quello del Wiimote, di un joystick analogico, due pulsanti dorsali (C e Z) e un microcontroller. La posizione centrale del joystick viene calibrata al collegamento del Nunchuk al Wiimote, con un meccanismo finora sconosciuto. I due potenziometri (30KΩ) che controllano gli assi del joystick sono collegati in parallelo. Il chip di controllo dell accelerometro è il LIS3L02 di STMicroelectronics. Figura 4: Nunchuk collegato al Wiimote 16

17 3.5.2 Classic Controller È un controller tradizionale, utilizzabile come seconda scelta in giochi che lo supportano; è provvisto di 15 pulsanti, due dei quali sono trigger analogici e forniscono sia lo stato di click una misura della pressione ad essi impressa, e due joystick analogici. Sul lato frontale del controller sono posizionati i joystick e 11 dei pulsanti standard: A, B, -, Home, +, X, Y, Up, Down, Left, Right. Sul lato superiore si trovano i trigger e gli altri due pulsanti: Z e L; sono posizionati in modo da essere premibili con gli indici. I trigger (destro e sinistro) sono sensibili a forze; alla pressione di un trigger, un meccanismo fa scorrere un potenziometro lineare da 30KΩ. Il meccanismo utilizza solo un quarto della distanza massima percorribile dal potenziometro. Al termine di uno spostamento derivante da una pressione viene chiuso uno switch; il trigger è considerato premuto appieno quando viene chiuso anche lo switch in fondo al percorso del potenziometro. Tutti i sei potenziometri nel dispositivo (due relativi a ogni trigger e due per ognuno dei joystick) sono collegati in parallelo Wii Motion Plus È un accessorio che migliora le prestazioni del Wiimote rendendolo molto più preciso e realistico. Esso permette di compiere movimenti con il telecomando che saranno mappati 1:1 dalla console; in pratica vengono recepiti tutti i movimenti 3D compiuti nello spazio, rilevati con altissima precisione. Il dispositivo ha una propria porta d espansione che consente di collegarvi ad esempio un Nunchuk, permettendo così l uso di entrambe le estensioni. Il Wii Motion Plus contiene due giro sensori: un giroscopio a due assi (IDG-600 di InvenSense) per il rilevamento di Pitch e Roll, e un giroscopio monoasse (X3500W di EPSON TOYOCOM) per il rilevamento di Yaw. L uso combinato dei due giroscopi abilita il dispositivo alla lettura della velocità angolare in tutti e tre gli assi, consentendo così un orientamento completo. In Figura 2 sono rappresentati i movimenti Pitch, Roll e Yaw rilevabili dal Wii Motion Plus. 17

18 3.5.4 Wii Balance Board La Wii Balance Board è una pedana che comunica via Bluetooth direttamente con la console. È composta da quattro bilance che rilevano lo spostamento del peso dell utente che si posiziona sopra di essa, permette quindi di usare gli spostamenti del corpo per controllare le azioni di gioco. La Balance Board è effettivamente un estensione nonostante non la si possa collegare fisicamente al connettore del Wiimote, tuttavia è utilizzabile anche in assenza di un Wiimote in quanto appare alla console come un Wiimote con un Balance Board extension controller permanentemente connesso, e trasmette i propri dati alla console in maniera del tutto simile ad un estensione connessa a un Wiimote. I dispositivi di misurazione della Balance Board sono quattro estensimetri, incorporati in ciascuno dei piedini su cui la pedana poggia al suolo. Il principio di funzionamento di questi sensori è la misura della resistenza elettrica di un sottile filo di metallo posto al loro interno, che aumenta all allungamento del filo; l estensione del filo è proporzionale alla sollecitazione (forza peso) che il sensore subisce. Grazie alla disposizione dei sensori ai quattro angoli della pedana, questa periferica è in grado di misurare l indice di massa corporea, analizzare la posizione del baricentro e il peso corporeo. Nella versione europea la Balance Board può sostenere fino a un peso di 150Kg. La trasmissione dei dati misurati è continua, e avviene con un rate di 60 fps. Figura 5: Wii Balance Board 18

19 Capitolo 4. Interfacciamento e connessione dei dispositivi In questo capitolo vengono esposte le tecnologie e i meccanismi mediante i quali avviene la connessione tra i controller di Nintendo Wii e l host (console o pc). 4.1 HID [5] Gli Human Interface Device (HID) sono dispositivi che interagiscono direttamente con l utente. Sono tipicamente dispositivi di input, ma spesso emettono anche output. Il termine HID viene spesso associato alla specifica USB-HID, termine coniato da Mike Van Flandern (Microsoft) quando propose al comitato USB la creazione di un gruppo di lavoro per lo sviluppo delle tecnologie dei dispositivi di input. Il gruppo venne rinominato e nacque la Human Interface Device class, che denota la comunicazione bi-direzionale supportata dallo standard. Le motivazioni principali che portarono alla nascita di HID furono l abilitazione di innovazioni per i dispositivi di input e la semplificazione del processo di installazione di tali dispositivi L innovazione di HID Prima della nascita di HID, i dispositivi di input erano tipicamente utilizzati mediante protocolli restrittivi per mouse, tastiere e joystick. L innovazione dell hardware ha richiesto modifiche a protocolli esistenti o la creazione di driver personalizzati con conseguente pubblicazione di nuovi protocolli per gli sviluppatori di applicazioni. I dispositivi HID rilasciano dei pacchetti autodescrittivi che potrebbero contenere un infinità di tipi di dati e formati. Un singolo driver HID installato in un PC analizza i dati e abilita l associazione dinamica di informazioni di I/O con le funzionalità applicative. 19

20 Molti sistemi operativi possono riconoscere dispositivi USB-HID, come mouse o tastiere, anche senza l utilizzo di un driver, e in questo caso un dispositivo viene riconosciuto come HID-compliant device Il protocollo HID Il protocollo HID si compone di due entità: l host e il device. Il device è l entità che interagisce direttamente con l utente, mentre l host comunica con il device ricevendo (o trasmettendo) dati in risposta ad azioni compiute dall utente. Gli host sono tipicamente pc, ma possono anche essere telefoni cellulari, PDA e console. Il protocollo HID traduce l implementazione dei dispositivi in modelli molto semplici. I dispositivi definiscono un proprio pacchetto dati e quindi presentano all host un HID descriptor, che contiene la descrizione del contenuto del pacchetto dati. Le informazioni contenute nel descrittore sono: il numero di pacchetti supportati dal dispositivo, lo spazio occupato da ogni pacchetto e il significato di ciascun byte nel pacchetto. Tipicamente l HID descriptor è memorizzato in una ROM all interno del dispositivo. L host è un entità molto più complessa del device. Ad esso spetta il compito di ricevere l HID descriptor dal device ed analizzarlo allo scopo finale di comunicare in modo pienamente funzionale con il device Bluetooth HID Il Bluetooth HID è una versione derivante dal protocollo HID definito per USB, alleggerita e adattata alla tecnologia della trasmissione Bluetooth. Questo permette il riutilizzo di alcune delle già esistenti funzionalità per USB-HID per il supporto di Bluetooth HID. Il profilo HID descrive il modo in cui utilizzare il protocollo USB-HID per rilevare una classe di driver USB-HID preesistente, dalla quale estrarre un set di funzionalità della classe HID del dispositivo; il profilo descrive inoltre come un dispositivo Bluetooth supporta servizi HID che sfruttano il livello L2CAP. Il profilo HID è progettato al fine di abilitare, inizializzare e controllare dispositivi auto-descriventi e di fornire una connessione a bassa latenza con bassi requisiti di alimentazione. 20