基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Unity2D的《筆墨英俠》少兒書法游戲*

摘要：隨著社會的進步，人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的書法教學模式對少兒的吸引力愈發(fā)降低，傳統(tǒng)書法文化的傳承問題變得十分重要，如何重塑少兒對書法的學習興趣是一個重要的問題，因此，本文創(chuàng)新性的提出一個全新的人工智能游戲化的新型書法教學模式，極大地提高了少兒的學習興趣與學習體驗。從故事情節(jié)設(shè)計與深度學習算法兩個維度改進少兒學習書法的學習過程，必將為傳統(tǒng)書法文化傳承問題帶來新的突破。

關(guān)鍵詞：書法教育；游戲化；孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；Unity2D；漢字評價

*基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，項目編號：202010065007

1 概述

近年來，傳統(tǒng)的書法教育問題越來越得到廣泛的關(guān)注。但是傳統(tǒng)的書法教育模式由于存在交互性差、少兒學習積極性不高等問題，一個激發(fā)少兒學習興趣的新型教學模式應(yīng)運而生。本文從少兒對游戲的接受度普遍較高的事實出發(fā)，設(shè)計了一款基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和 Unity2D 的《筆墨英俠》少兒書法游戲。該游戲從書法人工智能游戲化入手，將傳統(tǒng)游戲開發(fā)與創(chuàng)新性深度學習算法相結(jié)合，極大地提高了學生學習書法的體驗。

2 基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Unity2D的《筆墨英俠》少兒書法游戲設(shè)計

2.1 人工智能與游戲化

游戲化，指將游戲這種高趣味的交互形式與其他本身交互性低、娛樂性低的內(nèi)容進行結(jié)合，更具趣味性地將此種內(nèi)容的核心展現(xiàn)出來。將游戲中的核心機制應(yīng)用在日常生活領(lǐng)域中，尤其是需要對玩家進行指引的某些場景中，以此來刺激人們更好地融入其中，這就是游戲化的含義。游戲化往往以令使用者更好地沉浸于上述情景當中為目的，并充分利用游戲機制能夠吸引玩家注意力的特點，使人們更好地使用這些非游戲應(yīng)用，由內(nèi)而外自發(fā)地對其產(chǎn)生濃厚興趣，從而產(chǎn)生動機。游戲化作品可以借助移動設(shè)備、VR 等技術(shù)增強人機互動，并借游戲機制鼓勵玩家進行預(yù)先設(shè)計的游戲動作，在游戲過程中加以引導，使人們完成開發(fā)者為玩家設(shè)計的既定目標。

游戲化對于消費者以及互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有深遠意義。一方面，游戲化能夠有效降低某一領(lǐng)域的門檻，使之大眾化，也能夠讓消費者借助游戲這一形式更好地了解某一非游戲領(lǐng)域，令消費者更快地掌握某項技能或者更深度地投入到一件工作之中。另一方面，游戲化作為促進人機互動的有效手段，能夠推動新型商業(yè)模式的開發(fā)，促進企業(yè)的創(chuàng)新，增強自身游戲產(chǎn)品對于消費者的吸引力，增強用戶黏性，從而使自身產(chǎn)品在市場中的競爭力得到有效的提升。

本文旨在介紹將傳統(tǒng)書法練習游戲化，開發(fā)出一款書法練習趣味性較強的游戲軟件——筆墨英俠，這一軟件將區(qū)別于已有的缺乏趣味性的書法練習“嚴肅游戲”，為青少年的書法練習提供更多的內(nèi)驅(qū)力。

2.2 書法人工智能游戲化較傳統(tǒng)書法教育的優(yōu)勢

近年來，隨著各方面對愛國主義教育的不斷重視，如何提升中小學生的民族自信心與民族自豪感成為了校內(nèi)外思想教育的重要課題。為了相應(yīng)國家號召，使教育與互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相結(jié)合，許多公司嘗試將教育模式進行游戲化，以此更好地吸引學生進行游玩，并達成教學目標。傳統(tǒng)書法教育模式主要包括在校教育模式和課外書法教育模式。書法游戲化相較于傳統(tǒng)書法教育模式主要有以下優(yōu)勢：

1）變“陳舊”為“規(guī)范”。在傳統(tǒng)書法教育中，語文課程與書法課程對書寫文字的標準不統(tǒng)一嚴重影響了學生日常寫字的美觀性。而將書法游戲化可以以中小學課本中最基礎(chǔ)的漢字書體“標準楷體”為練字基準，避免學生練字過程中標準不統(tǒng)一的問題。

2）變“枯燥”為“快樂”。學生的生理心理特點會給傳統(tǒng)書法教學造成難度，如低年級學生由于手指小肌肉群的發(fā)育不成熟，無法長時間學習書法；學生自制力差，專注力保持時間短，無法長時間集中注意力。書法游戲化可以將枯燥的書法學習變得更有樂趣，以適合少年兒童的游戲玩法逐步闖關(guān)打敗筆畫和漢字，讓學生充分享受練習書法的樂趣。

3）變“方法單一”為“形式豐富”。在傳統(tǒng)書法教育中，大多是在課上老師先講解然后學生寫在田字格或米字格中，較為枯燥乏味。在書法游戲化里，游戲可以包含多重模式，如個人模式、多人對戰(zhàn)模式、多人配合模式或親子模式，變得更加形式豐富。

2.3 《筆墨英俠》游戲故事劇情設(shè)計

游戲主角從小便對忠肝義膽的武俠世界心馳神往，常在發(fā)呆時幻想自己是一位飛檐走壁的神捕、一名游巡于漫漫竹海的俠客……像一個傳說般生活在一座默默無聞的小縣城中。

主人公家長決定將其送進書法學習班，讓主人公在黑與白、頓與提的世界中修身養(yǎng)性，平心靜氣。然而主人公并未領(lǐng)會其中趣味，在一次學習中進入了夢鄉(xiāng)，而后竟來到了自己神往已久的武俠世界，由此開啟了一段奇幻之旅！

主人公從民間聽聞這里已被灰暗力量籠罩已久，大約一年以前，這里的人們忽然喪失了書寫的能力，民眾為此甚是苦惱。于是主人公決定以筆墨為武器，與這里的暗勢力抗衡，幫助人們恢復(fù)這一重要能力。初次踏上旅途，主人公的行囊中只有一支筆與一張紙，其余的裝備只可通過一次次的戰(zhàn)斗獲得，并且由于主人公在現(xiàn)實中的書法課上總是偷懶，技藝不精，在這一世界的技能等級也處于初級階段，需要在打怪中逐漸精進自己的技能。

主人公憑借自己的聰明才智，以及在途中受到的諸位書法大家的精神指引，見招拆招，通過反復(fù)的書法練習，一路上擊敗了眾多對書寫美觀造成干擾的小嘍啰，以及妒之暗影、惰之魔神、渙之鬼魅等一系列超級大魔頭，最終修煉成為這里赫赫有名的“筆墨英俠”，成功拯救了這里的民眾。

2.4 基于Unity2D的《筆墨英俠》游戲設(shè)計與實現(xiàn)

書法練習是游戲的主題，也是游戲的核心玩法的設(shè)計依據(jù)。在對書法練習進行游戲化設(shè)計之前，首先應(yīng)對玩家群體進行分析，并以此為依據(jù)設(shè)計游戲的核心機制。因為只有如此設(shè)計，才能夠完成游戲化的初衷——使玩家更好地沉浸到書法練習這種非游戲元素之中。對于年齡較小的玩家來說，人生經(jīng)歷尚不充分，因此該群體的學習過程、特點往往由年齡階段以及先天因素決定。在進行玩家類型分析的過程中，游戲設(shè)計者往往運用經(jīng)典的 Bartle 模型來表示玩家類型的拓撲圖譜。在 Bartle 模型中，玩家被分為四種類型：成就型玩家（Achievers）、探索型玩家（Explorers）、社交型玩家（Socialisers）和殺手型玩家（Killers）。Bartle 模型并不是一個完善的玩家分類模型又出現(xiàn)了例如 Marczewski 模型之類的更加復(fù)雜的分類方法，豐富完善了玩家的拓撲圖譜，但 Bartle 模型始終以其簡單、有效以及廣泛適用性受到了眾多游戲制作者的認可。

經(jīng)過以上部分的分析，不難看出，為了鼓勵玩家獲取更多的安排在游戲流程中的書法教育知識，本游戲的核心機制應(yīng)該以交互于世界為主體，并且由于其所面向的玩家年齡較低，因此，核心機制應(yīng)當給予玩家一定的獎勵，以此激發(fā)玩家對于書法練習的興趣，也就是說，本游戲需要玩家獎勵系統(tǒng)作為作用于世界的元素對核心機制進行輔助。

在開發(fā)過程中，需要對 NPC 的行為邏輯進行簡化。將 NPC 的邏輯簡化后可以得到一個如圖 2 所示的有限狀態(tài)機（finite state machine ,FSM），NPC 需要在各個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)狀態(tài)機的方法有很多，例如常見的 if-else語句以及switch語句，但 AI 走路，跳躍，攻擊，技能的相互轉(zhuǎn)換，有些可以轉(zhuǎn)換，有些不能，實現(xiàn)邏輯復(fù)雜，使用以上方法會使得代碼難以維護。因此本課題使用抽象類繼承的方法實現(xiàn)該有限狀態(tài)機。如圖 3 為該部分的 UML 圖。

其中，Enemy Base State 是每一個狀態(tài)都會繼承的抽象類，Enter State 方法在進入該狀態(tài)時執(zhí)行一次，On Update 方法負責對狀態(tài)的實時更新，應(yīng)在腳本的 Fixed Update 方法中進行調(diào)用。

圖3 使用單例模式管理游戲事務(wù)與UI事務(wù)

游戲事務(wù)管理使用單例模式創(chuàng)建 UI Manager 類與 Game Manager 類，UML 圖如圖 3 所示。

2.5 基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的《筆墨英俠》書法評價系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在游戲中玩家通過手機攝像頭或者嵌入式拍照設(shè)備，將手寫在紙上的漢字進行拍照捕捉形成圖片錄入游戲的評價系統(tǒng)部分。由系統(tǒng)將玩家手寫的漢字與標準字庫中的漢字進行相似度的對比，得到對應(yīng)分數(shù)。

對于漢字評價我們使用了基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Siamese neural network）的評價算法。孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)顧名思義是有兩個相同或不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行連體所得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當兩個網(wǎng)絡(luò)共享權(quán)值時，僅實現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)就能完成整個孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建，例如兩個 CNN 或兩個 RNN。當兩個網(wǎng)絡(luò)權(quán)值不共享時，則需要分別實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)來完成搭建，如一個 CNN 和一個 RNN。孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大用途是比較兩個Input的相似程度。映射到《筆墨英俠》游戲中，一個輸入固定為標準字庫滿分手寫體，一個輸入為玩家游戲時拍照得到的手寫體。

本文中的評價算法，使用了 VGG16 作為孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主干特征提取網(wǎng)絡(luò)，輸入的兩個手寫漢字圖片將經(jīng)過 VGG16 網(wǎng)絡(luò)進行特征的提取并訓練生成手寫漢字評價模型。對于訓練使用的數(shù)據(jù)集我們使用了小學生手寫的人教版一年語文課本課后漢字手寫體，標準字體使用對應(yīng)漢字楷體的書寫體。由于缺乏統(tǒng)一評價標準，因此經(jīng)過咨詢專業(yè)書法教師后。我們將系統(tǒng)打分高于 0.8 分（滿分 1.0 分）評判為合格體，0.8-0.9 分為良體， 0.9-1.0 分為優(yōu)。低于 0.8 分為不合格體，為差體。系統(tǒng)進行手寫體評價的效果如圖4。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)書法文化的傳承問題越來越得到社會的廣泛關(guān)注，借著人工智能的浪潮，本文創(chuàng)新性將傳統(tǒng)書法教學與人工智能技術(shù)相結(jié)合，改進學生學習書法的過程，在娛樂的同時也能很好的學習書法，這一新型的人工智能書法游戲化模式能夠極大的為 書法文化的傳承貢獻力量。未來，我們將不斷提高深度學習算法的識別精度，精進故事情節(jié)，努力創(chuàng)造更好的游戲體驗服務(wù)于書法教學。

參考文獻:

[1] 郭欣桐.基于Unity的休閑益智類游戲設(shè)計與開發(fā)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2021(01):34-36.

[2] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育語文課程標準(2011)[M].北京:北京師范大學出版社,2017:37-42.

[3] 林璐,洪靈慧,沈珂琦.基于游戲化理念的文旅體驗設(shè)計[J/OL].包裝工程:1-11[2022-03-28].http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1094.TB.20220305.1241.002.html.

[4] 騰訊游戲.騰訊游戲開發(fā)精粹[M].北京:電子工業(yè)出版社,2019:116-151.

[5] 張子瀚.基于Unity的筆墨英俠少兒書法游戲的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津:天津師范大學,2022.

[6] 莊子明.基于深度學習的手寫漢字識別與美感評分[D].北京:北京郵電大學,2019.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)