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

羅玉媛 張垠涵 茅嘉禾 張子瀚 周思亦 姜浩睿 范嘉文 焦金龍 趙川

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(xué)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(xué)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(xué)模式，極大地提高了少兒的學(xué)習興趣與學(xué)習體驗。從故事情節(jié)設(shè)計與深度學(xué)習算法兩個維度改進少兒學(xué)習書法的學(xué)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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(xué)習積極性不高等問題，一個激發(fā)少兒學(xué)習興趣的新型教學(xué)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(xué)習算法相結(jié)合，極大地提高了學(xué)生學(xué)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(dǎo)，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(xué)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(xué)生進行游玩，并達成教學(xué)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(xué)生日常寫字的美觀性。而將書法游戲化可以以中小學(xué)課本中最基礎(chǔ)的漢字書體“標準楷體”為練字基準，避免學(xué)生練字過程中標準不統(tǒng)一的問題。

2）變“枯燥”為“快樂”。學(xué)生的生理心理特點會給傳統(tǒng)書法教學(xué)造成難度，如低年級學(xué)生由于手指小肌肉群的發(fā)育不成熟，無法長時間學(xué)習書法；學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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 ，F(xiàn)SM），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。

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(xùn)練生成手寫漢字評價模型。對于訓(xùn)練使用的數(shù)據(jù)集我們使用了小學(xué)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(xué)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，改進學(xué)生學(xué)習書法的過程，在娛樂的同時也能很好的學(xué)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(xué)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(xué)。

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