[Из песочницы] Создание дешевого, универсального, игрового контроллера для мобильных устройств
Проблематика
В 2010–2011 годах бурное развитие рынка смартфонов и планшетов, оснащенных сенсорным экраном, способствовало появлению первых концептов и прототипов игровых контроллеров для данных мобильных устройств. Необходимость их появления, определялась интересными возможностями большого сенсорного экрана, но при этом, у такого экрана есть серьёзный недостаток — отсутствием тактильной отдачи, важной для точного и быстрого взаимодействия с интерфейсом выполняемого приложения. Данные характеристики управления особенно актуальны в играх, об управлении которыми и пойдет речь далее.
Появляющиеся концепты часто не получали логического развития в виду невозможности по той или иной причине осуществлять свои функции, главным препятствующим фактором была сложность или закрытость инфраструктуры сложившейся из совокупности аппаратной платформы, операционной системы, целевого приложения. Со временем, по логике сложившегося мира, уже существующие ЭВМ (мобильные устройства) начали обрастать периферией, работающей через интерфейсы, специально созданные для этой цели — Bluetooth и USB.
Bluetooth и USB
USB интерфейс казался достаточно простым решением для взаимодействия с мобильными устройствами, но на заре отрасли, да и во многом сейчас, размещение портов, которые к тому же имели различные спецификации, ограничивалось лишь рамками воображения разработчика конкретного устройства. Поэтому подобные геймпады, как правило, создавались для одной наиболее популярной модели смартфонов и могли иметь совместимость с устройствами со схожим расположением портов, что происходило достаточно редко, и если серийный порт в чем-то и выигрывал у беспроводного соединения, то подобный недостаток сводил все преимущества на нет.
USB стал худшим из двух зол, и уступил дорогу более универсальному Bluetooth. Но Синий Зуб не стал панацеей, установить сопряжение получится с большинством смартфонов и планшетов, хоть и гарантировать это вряд ли возможно. В свою очередь уже управление конкретным приложением требует целенаправленной подготовки такого приложения его разработчиком, причем подготовки для конкретного игрового контроллера или их группы. По словам разработчика одного из платных программных костылей (с которым удалось связаться), создаваемых для устранения подобной несовместимости, ответственными за подобную ситуацию стоит в равной мере считать Google и девелоперов игр. На мой взгляд, первые не дали качественного универсального инструмента взаимодействия между всеми частями системы, а вторые справедливо не видят смысла проведения работ для интеграции своих приложений, для всех, или самых распространенных игровых контроллеров. Кстати говоря, судя по количеству загрузок и отзывам о приложении, исправляющем нюансы совместимости Bluetooth геймпадов и игр, существование проблемы подтверждается. Несмотря на моё любительское мнение, фактически складывается сложная ситуация, аналогов которой так просто и не упомнить.
Существуют несколько частей системы, почти все из которых регулярно меняют свои свойства:
1. Операционная система, например Android — регулярно модифицируется.
2. Прошивки производителей мобильных ПК, сторонние прошивки от энтузиастов отрасли, созданные на основе Android — регулярно модифицируются
3. Аппаратная платформа мобильных ПК — регулярно модифицируется
4. Аппаратная платформа игровых контроллеров — весьма непостоянная часть.
5. Целевое игровое приложение — весьма непостоянная часть.
На мой взгляд, на фоне такой ситуации достаточно не просто предложить пользователю вменяемый продукт. Коммерческие попытки регулирования некоторых частей этой системы выглядят сомнительно, некоторые из них уже благополучно «приказали долго жить». В пример стоит привести интересную ситуацию из мира Apple, а точнее программы лицензирования устройств и ПО MFI. Насколько я понял из дискуссии, развернувшейся на странице официального блога Gameloft, владельцы Iphone радостно приобретали продукцию MOGA, чтобы удобно и увлекательно скоротать время за любимой игрой от Gameloft. Но к их сожалению, одного из участников этой пирамиды что-то перестало устраивать, и он отказался от продолжения сотрудничества, развалив всю структуру. Недешевый геймпад отказался работать с продолжением игрового повествования, вызвав тем самым массу негативных эмоций у пользователей.
В другом случае, разворачивается совсем странная ситуация, когда, игровой контроллер стоимостью $40, совместим с игровыми приложениями только одного разработчика, и только на одной платформе, немудрено что теперь стоимость непопулярного продукта упала в 6,5 раз.
Проблема совместимости USB и Bluetooth контроллеров не теряет актуальности. Мнения в отзывах о продукции, имеющейся в популярных интернет магазинах, делятся приблизительно пополам между максимальными и минимальными оценками. Целевые форумы переполнены сообщениями о проблемах в настройке существующих устройств, в ближайшей перспективе не видно инструментов для успешного преодоления сложившихся трудностей.
Не на последнем месте стоит вопрос стоимости сложной электронной начинки имеющейся периферии, мировые цены на устройства с приемлемым качеством, имеют разброс цен от $70 до $300, китайские «no name» аналоги экстремально дешевы, $10–20, но обладают еще большей нестабильностью.
Элементы управления, взаимодействующие через экран
Проблему комфортного взаимодействия с игровыми приложениями пробовали решать радикально другим способом, наиболее известный продукт, созданный для этой цели, называется «Fling» и представляет собой накладку на стекло смартфона, его основная задача целе-указание. Позже подобные устройства начали комплектоваться накладными функциональными кнопками, работающими по тому же принципу, но отвечающими за какое-либо одно действие. Главным недостатком подобного метода ввода стало то, что на смартфонах происходит перекрытие подавляющей части экрана. Менее значимой проблемой является не слишком удобный и комфортный способ крепления к стеклу, кроме того взаимодействовать с таким решением было возможно только двумя большими пальцами — максимальное одновременное взаимодействие только с четырьмя ключами. Данные недостатки были настолько существенны, что не позволили получить продукту большое распространение, несмотря на его грандиозные преимущества:
1. Полная кросс-платформенность, возможность управления любым приложением выполняемом на любом мобильном ПК, под управлением любой ОС, единственное требование к аппаратной части это проекционно-ёмкостной экран.
2. Цена решения и простота использования для пользователя.
Поиск другого решения
Рассмотрев два кардинально разных способа ввода информации для ПК оснащенных сенсорным экраном, мои симпатии упали в сторону более простого взаимодействия с помощью накладных элементов. Главный недостаток это способа, оказался сильным раздражителем, подтолкнувшим к идее о создании инструмента ввода, объединяющего сильные стороны всех вышеперечисленных технологий.
Первым шагом стала мысль о наделении накладных клавиш прозрачными свойствами или их серьёзное уменьшение с целью увеличения видимой площади экрана. Но даже при уменьшении в несколько раз (до 3–5 мм) они не пропадут с экрана полностью, кроме этого пальцы, находящиеся в проекции экрана и мешающие обзору, уменьшить не удастся. Обостряется и проблема надежного крепления уменьшаемых кнопок к экрану, пострадают и тактильные ощущения. Для решения вновь возникших проблем потребовалось сформулировать новые требования:
1. Вместе с уменьшением кнопок, требуется их перенос в незадействованные основными отображаемыми событиями зоны экрана. Например, при горизонтальном положении: правая, левая и нижняя кромки экрана, приблизительно 3–5 мм от рамок.
2. Кнопки не должны непосредственно фиксироваться на экране ввиду отсутствия технической возможности надёжного их крепления.
2.1.1. Потребуется шасси, позволяющее надежно фиксировать кнопки на местах без потери их функционала.
3. Верхняя поверхность кнопки, предназначенная для касания пальцем, должна иметь комфортный размер. Все тактильные свойства такой кнопки должны находиться в привычной для пользователя зоне комфорта.
Механический вариант
Подобные плохо совместимые требования требовали радикального решения, которое и появилось. Это решение стало первой ключевой идеей — механическая передача взаимодействия путем системы тяг или гидропривода, это позволило бы практически полностью добиться соответствия новым требованиям. Например, на том же шасси, на котором планировалось разместить экранные кнопки, можно поместить всю механическую систему и вынести функциональные приводящие клавиши достаточно далеко от экрана, что позволило бы придать устройству форм-фактор и органы управления полноценного геймпада.
Казалось бы, проблема решена и при этом достаточно интересно, но и в этой идее были очевидны недостатки. В случае использования тяг, требовалась очень высокая надежность системы. Четкая передача команд на интерфейс приложения несовместима с наличием даже минимальных люфтов, разбалтывания, вытягивания, износа рабочих узлов. Сложно представить компактную тонкую механическую систему, которая устояла бы под натиском интенсивной продолжительной нагрузки, создаваемой эмоциональным пользователем. И даже в случае создания надежной, и при этом экономически оправданной, механической системы, она потребует внушительного корпусного объёма для её размещения, что плохо совместимо с современными эстетическими и эргономическими веяниями в примерной отрасли смартфоностроения.
Не желая бросать заманчивую идею механической передачи взаимодействия, после размышлений было решено, что наиболее подходящим вариантом является гидроцилиндр одностороннего действия, где пользовательская кнопка служила бы частью силового привода. А кнопка взаимодействия с экраном размещалась бы на штоке поршня, размещенного в поршневой полости, находящейся на противоположном конце гидролинии относительно пользовательской кнопки. Ввиду того, что подобной системе для работы не требуется большое давление, гидролинии будут занимать минимум объёма и могут быть расположены как угодно, при этом появится возможность разместить органы управления геймпада любым образом, что позволит добиться максимального сходства с электронными собратьями. Работа такой системы очень проста: нажимая на кнопку, мы заставляем несжимаемую жидкость, расположенную в замкнутом канале, воздействовать на поршень, который совместно со штоком и расположенной на нем кнопкой, производит возвратно-поступательные движения, произвольно совершая нажатия на экран.
Ёмкостной вариант
Недостатков в подобной концепции стало еще меньше, но, к сожалению, они не исчезли совсем. На этот раз недостаток был всего один, но именно он стал для данного варианта фатальным. Сущность недостатка заключается в том, что при работе с устройствами, оснащенными ёмкостными экранами, потребуется наличие достаточной электрической ёмкости у объекта, взаимодействующего с экраном для срабатывания сенсора. В рассматриваемой рабочей схеме объект взаимодействия слишком мал для обладания достаточной ёмкостью, не достаточно её будет и в электрической связке с совокупностью шток-поршень. Таким образом, описанной схеме недостаёт единственного параметра — работоспособности. Мысли о наделении экранной кнопки приемлемой ёмкостью были связаны лишь с усложнением конструкции, уменьшением надежности. Появляющиеся варианты были сомнительны, всё тонуло в тумане бесперспективности. Мешало и отсутствие понимания электродинамической природы предметов их совокупностей, в том числе и состоящих из сред, находящихся в разных агрегатных состояниях и отличных по химическому составу.
Не имея продуктивного решения, находясь в раздумьях о наделении малого предмета физическими свойствами большого, об электрической природе окружающего мира, а именно электрической ёмкости, и появилась вторая ключевая идея.
Изначально, основой для размышлений, являлась наэкранная кнопка приблизительно 3–4 мм в диаметре, с почти таким же пятном контакта, выполненной из проводящего материала, значительно более мягкого, чем среднестатистическое стекло экрана. Такие требования никак не вязались с приемлемой емкостью. То есть, не обладая ею, не было бы разницы, в каком положении находится кнопка: касается ли она стекла (пользовательская кнопка нажата) или находится чуть выше него (пользовательская кнопка в свободном положении), сенсор не может её распознать в любом случае. Подобный нюанс делает ненужными все узлы, отвечающие за перемещение наэкранной кнопки, пусть она остаётся в контакте со стеклом постоянно, существенным моментом здесь является лишь её ёмкость. И, так как ранее, мы взаимодействовали с сенсором мобильного ПК путем касания, то есть внесением в чувствительную для электродов сенсора область достаточно габаритного электропроводящего, а значит ёмкостного предмета, то сейчас необходимо делать то же самое, но уже по отношению к тому предмету, который закреплен на экране. Если данный предмет обладает определенной протяженностью в пространстве, то взаимодействие с любой его точкой, приведет к воздействию на сенсор мобильного устройства. Грубо говоря, мы осуществляем перенос взаимодействия с ёмкостным предметом в сторону от экрана, выполняя одно из вышеописанных требований — так работает стилус. Дальше — больше, для взаимодействия протяженного объекта закрепленного на экране, с каким либо другим ёмким объектом не обязательно объединять их пространстве, достаточно создать между ними электропроводный участок.
Вырисовывается достаточно простая электрическая схема: плоский электропроводящий контактный элемент для крепления на экране с выводом, идущим на один из контактов кнопочного выключателя. Вторым своим контактом кнопочный выключатель связан с достаточно ёмким предметом для срабатывания сенсора. Произвольно, с помощью кнопки, коммутируя контактный элемент, закреплённый на экране, с ёмкостью, мы вызываем срабатывание сенсора в нужный для нас момент, тем самым влияя на интерфейс приложения.
Первый прототип
Настало время первых прототипов, становятся видны нюансы технологии. По поводу них, необходимо сказать следующее: существует зависимость от положения элементов интерфейса целевого приложения, но в принципе эта проблема не такая серьёзная, и вариантов её решения существует масса. Учитывая подобное ограничение, было подобрано не слишком сложное игровое приложение для выяснения возможностей создаваемого устройства. Отлично подошла игрушка Muffin Knight, занимательный платформер, персонаж которого мог совершать лишь четыре действия: бежать вправо или влево, а так же стрелять и прыгать. Весь игровой интерфейс мог по умолчанию подвергнуться любой кастомизации, что и предопределило данный выбор. Для испытаний был приобретен LG Optimus Black (P970), шасси для удержания смартфона было изготовлено из пенопласта — весьма практичный, доступный и лёгкий в обработке материал. В качестве ключей выступили кнопки SSMPBS-R/R. Ключа было всего четыре, этого хватало для управления вышеупомянутой игрой. В качестве ёмкости был выбран отрезок алюминиевой фольги размером 123×63 мм, после ламинации скотчем, отрезок столь внушительных габаритов расположился в ложе для смартфона. Контактные наэкранные элементы изготовлены из холоднокатаной отожжённой листовой стали толщиной 0,2 — 0,4 мм, габариты 10×7 мм. Почти все эти предметы есть у каждого под рукой, а сборка конструкции одновременно удерживающей телефон и содержащей описанные детали не займет много времени. Немного повозившись, ожидаемый результат был достигнут. Рыцарь успешно выполнял мои указания по сбору кексов и изничтожению неугодной живности!
Второй прототип
Устройство работало, но было совершенно непрезентабельным. Пришла пора воспользоваться, в то время еще не набравшей сегодняшней популярности, технологией 3D печати. Используя Aut. Inventor, мало-мальски изученный к тому времени, сформировал проект уже гораздо более похожего на геймпад устройства. Обратившись в местную студию, занимавшуюся прототипированием и макетированием, для меня изготовили все необходимые детали, из которых после неудачной покраски было собрано то, что хоть как то может называться прототипом.
В качестве деталей так же были использованы клавиши бюджетного игрового контроллера, а контактными элементами послужили наконечники дисковой формы ёмкостных стилусов Dagi. Наконечники были прозрачными и выполнены из полимера, поэтому хорошо подходили для данной роли. Емкость в виде латунной пластины разместилась в ложе для смартфона, её частью выступила также большая контактная площадка, служившая вторым неподвижным контактом кнопочного выключателя, общим для всех ключей. Подвижные контакты кнопок были жестко смонтированы на теле самих кнопок, и соединены с выводами контактных наэкранных элементов. Для четкого управления требовалось, чтобы контакты экрана находились в надежном соединении с последним, но при этом, при снаряжении устройства, контактные элементы не повреждались бы и не повреждали сам смартфон, загружаемый в геймпад. Чтобы соблюсти оба требования, в конструкции геймпада были предусмотрены два подпружиненных рычага. При снаряжении геймпада смартфоном, на каждой из половин устройства необходимо было поочерёдно нажать кнопку, связанную с рычагом, чтобы поднять контактную группу над уровнем экрана, затем её нужно было просто отпустить, чтобы пружина надежно зафиксировала контакты. Для проведения опыта вновь был использован Muffin Knight, и так как для управления этим приложением необходимо было взаимодействие только с четырьмя элементами интерфейса, контактных элементов было так же четыре. Разводить все клавиши при этом не было необходимости.
Нюансы
Подробнее следует поговорить о тонкостях технологии. Во-первых, это выбранный метод воздействия на экран. При обдумывании схемы устройства, при создании прототипов, столкнулся с тем, что некоторые электронные компоненты, а точнее кнопочные выключатели (например, тактовая кнопка), не смогли выполнять свой функционал. Подобные неприятности заставили задуматься, а должны ли вообще они работать в схеме основанной не на использовании электрического тока, тока проводимости, при котором заряженные частицы двигаются внутри макроскопических тел, т. е. электроны через кристаллическую решетку металла. Сделав вывод, что подобного тока в схеме нет, и быть не может, так как взаимодействуют между собой практически одинаковые материалы, находящиеся в одинаковых физических условиях, было решено, что подобные компоненты просто не должны, и не будут работать.
При физическом взаимодействии двух тел, происходит изменение, обезличивание их индивидуальных электромагнитных характеристик. Во время такового взаимодействия, будет наблюдаться совершенно другое электромагнитное поле. То есть в нашем случае необходим ключ, способствующий наилучшему взаимодействию полей при его активации. Это породило довольно интересный вопрос, а существует ли вообще подобная компонентная база?
Во-вторых, в рамках рассмотрения нюансов, напомню о зависимости от положения элементов интерфейса целевого приложения, данное ограничение являлось весьма серьезной проблемой. Решений у данной проблемы несколько.
Первое из них — это возможность кастомизации элементов интерфейса, заложенная заранее при создании приложения. То есть уже сейчас сотни приложений совместимы с устройствами, выполненными по аналогии с описанным прототипом.
Второе — это прямое сотрудничество с разработчиками игровых приложений, с целью создания опционального интерфейса целиком совместимого с геймпадом. По этому поводу хочу обратиться к компетентным читателям — «Насколько проще, произвести перестановку элементов интерфейса, чем подготовить игровое приложение для взаимодействия с Bluetooth геймпадом?».
Третий вариант — создание универсального программного обеспечения, для взаимодействия в качестве посредника с любым приложением, на основе уже существующих аналогов, например, GKM Touch и Game Controller 2 Touch PRO. Этот вариант наиболее оптимален, как сообщалось выше уже удалось пообщаться разработчиком одного из этих приложений. По результатам общения выяснилось, что возможность создания приложения для ре-координации точек срабатывания сенсора вполне существует. Это даст возможность управления практически любым приложением, в том числе и не игровым. В итоге, комплекс мер по второму и третьему варианту должен обеспечить наилучшую возможность игры на мобильных устройствах с помощью создаваемого игрового контроллера.
Патентование
Идея кажется очевидной, очень простой. Наверное, именно поэтому она не пришла в голову опытнейших специалистов компаний, направлением работы которых является mobile accessories. Как только появилась мысль о том, что удалось придумать действительно, что-то перспективное, было принято решение о защите данной идеи.
Получение первого патента на эту технологию, растянулось на 22 месяца, из-за тонкостей используемых терминов пришлось дважды отвечать на запросы экспертов ФИПС, сильно изменить формулу, балансируя на грани соответствия описанию. Ситуацию спасли буквально несколько слов последнего, благо данная часть заявки была достаточно детальной, так как описывала не что-то абстрактное, а вполне себе действующее устройство. Поэтому, полезным советом для всех претендентов будет не скупиться на слова.
При подаче второй заявки, в результате поиска проведенного поверенными, всплыл британский патент 2013 года, описывающий отвергнутую мной технологию механической передачи взаимодействия. Данный документ лучше всего подошел для противопоставления как ближайший аналог, но о продуктах на основе данной технологии я не слышал. Также при подготовке этой заявки, удалось создать достаточно обширную и интересную формулу. На этот раз всё прошло гладко, запросов от экспертизы не поступало. И спустя 16 месяцев, в ноябре 2015 года, пришло решение о выдаче патента. Данное решение содержало интересный момент: в отчете о поиске вполне закономерно обнаружился предыдущий патент моего авторства. Это порадовало осознанием того, что технология развивается. В настоящий момент готовятся еще три заявки на основе вышеописанных идей, вырисовывается в какой-то мере новое направление развития техники.
По первому патенту была подана международная заявка, которая сейчас уже находится на национальной стадии, из-за недостатка средств была выбрана только одна страна — США. Сейчас проходит экспертиза по существу, и в ближайшее время необходимо подать ответ на появившиеся у эксперта вопросы. По второму патенту также подана международная заявка, срок перехода на нац. фазу по которой — декабрь 2016 года. Надеюсь, что по этой и последующим заявкам список стран будет гораздо шире.
Стоит вкратце упомянуть о том, что имеется пара патентов североамериканского происхождения, описывающих схожую технологию, но по какой-то причине обделенных вниманием со стороны всех экспертов связанных с заявками, которые подавались мной. На основе одного из этих изобретений, его автор пытался продвигать весьма специфичный продукт, сильно отличающийся своим форматом от того что описано в данной статье. Из-за своей специфичности продукт не стал популярным, и почему коллега выбрал именно такое направление мне не понятно.
Рынок
Проблемы отрасли уже были описаны выше, но я не затронул рыночную часть вопроса. К сожалению чистых данных о количестве проданных геймпадов нет, как и прочей статистики связанной с этими продажами. Оценить ситуацию хотя бы в какой-то степени помогает статистика рынка мобильных игр, смартфонов и планшетов, других аксессуаров. Также немаловажен тот факт, что игровые аксессуары для мобильных устройств выпустили почти все крупные игроки в отрасли периферии и некоторые производители мобильных ПК. Думается, вряд ли подобные шаги были безосновательны.
Цифры и факты, касающиеся перечисленных отраслей, потрясают. Совсем недавно крупные вендоры начали продвижение умных часов и фитнес браслетов, но время идет быстро, данный рынок сформировался. По информации от Gartner, выручка с продаж этих аксессуаров составит $28,7 млрд. к концу 2016 года. Появился и рынок дронов, X-коптеров и прочего. Свою полезность данной группе товаров еще предстоит доказать, но самое удивительное то, что уже сейчас появляется отрасль, предлагающая различные системы и устройства по защите от появления этих самых дронов в нежелательных местах!
Что касается непосредственно игровых приложений и игроков, то здесь доступна самая разнообразная статистика. Выделю основные моменты:
1. Объем мобильного игрового рынка в 2015 году достиг $34 млрд. По данным App Annie.
2. По прогнозам, в 2016-м году объем мобильной игровой индустрии достигнет $41,5 млрд.,
3. Приблизительное количество игроков по данным за 2014 год 1,35 млрд. человек. Источник — Newzoo и AppLift
4. За прошедший год производителями были отгружены рекордные 1,43 миллиарда смартфонов. По данным IDC
5. По итогам недавнего опроса на 4pda, на вопрос «Пользуетесь ли вы игровыми аксессуарами для смартфона/планшета?» 42% от проголосовавших ответили, что, или уже пользуются таковыми, или планируют начать ими пользоваться, всего проголосовало 2383 человек.
Развитие
На сегодняшний момент перед проектом стоит масса задач. Первостепенная из них — это малая серия опытных устройств, отвечающих всем современным требованиям по дизайну и функциональности. Пожалуй, почти такой же важностью обладает следующая задача — создание программного обеспечения. Предстоит и работа по расширению пакета интеллектуальной собственности. На всё это потребуются средства, хоть и не большие, но на данный момент отсутствующие.
Совокупность готового ПО, оригинального дизайна, идей для которого есть масса, и, наконец, хорошей рыночной цены, позволит найти проекту серьёзных инвесторов. В свою очередь это позволит в кратчайшие сроки выйти на рынок и изменить индустрию мобильного гейминга!
