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(huì)的進(jìn)步，人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的書法教學(xué)模式對(duì)少兒的吸引力愈發(fā)降低，傳統(tǒng)書法文化的傳承問(wèn)題變得十分重要，如何重塑少兒對(duì)書法的學(xué)習(xí)興趣是一個(gè)重要的問(wèn)題，因此，本文創(chuàng)新性的提出一個(gè)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(xí)興趣與學(xué)習(xí)體驗(yàn)。從故事情節(jié)設(shè)計(jì)與深度學(xué)習(xí)算法兩個(gè)維度改進(jìn)少兒學(xué)習(xí)書法的學(xué)習(xí)過(guò)程，必將為傳統(tǒng)書法文化傳承問(wèn)題帶來(lái)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(píng)價(jià)

*基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202010065007

1 概述

近年來(lái)，傳統(tǒng)的書法教育問(wèn)題越來(lái)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(xí)積極性不高等問(wèn)題，一個(gè)激發(fā)少兒學(xué)習(xí)興趣的新型教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生。本文從少兒對(duì)游戲的接受度普遍較高的事實(shí)出發(fā)，設(shè)計(jì)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(xí)算法相結(jié)合，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)書法的體驗(yàn)。

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(jì)

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(jìn)行結(jié)合，更具趣味性地將此種內(nèi)容的核心展現(xiàn)出來(lái)。將游戲中的核心機(jī)制應(yīng)用在日常生活領(lǐng)域中，尤其是需要對(duì)玩家進(jìn)行指引的某些場(chǎng)景中，以此來(lái)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(dāng)中為目的，并充分利用游戲機(jī)制能夠吸引玩家注意力的特點(diǎn)，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(duì)其產(chǎn)生濃厚興趣，從而產(chǎn)生動(dòng)機(jī)。游戲化作品可以借助移動(dòng)設(shè)備、VR 等技術(shù)增強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)，并借游戲機(jī)制鼓勵(lì)玩家進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)的游戲動(dòng)作，在游戲過(guò)程中加以引導(dǎo)，使人們完成開發(fā)者為玩家設(shè)計(jì)的既定目標(biāo)。

游戲化對(duì)于消費(fèi)者以及互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有深遠(yuǎn)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(fèi)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(fèi)者更快地掌握某項(xiàng)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(jìn)人機(jī)互動(dòng)的有效手段，能夠推動(dòng)新型商業(yè)模式的開發(fā)，促進(jìn)企業(yè)的創(chuàng)新，增強(qiáng)自身游戲產(chǎn)品對(duì)于消費(fèi)者的吸引力，增強(qiáng)用戶黏性，從而使自身產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力得到有效的提升。

本文旨在介紹將傳統(tǒng)書法練習(xí)游戲化，開發(fā)出一款書法練習(xí)趣味性較強(qiáng)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(xí)“嚴(yán)肅游戲”，為青少年的書法練習(xí)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(shì)

近年來(lái)，隨著各方面對(duì)愛國(guó)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(guó)家號(hào)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(jìn)行游戲化，以此更好地吸引學(xué)生進(jìn)行游玩，并達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。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(shì)：

1）變“陳舊”為“規(guī)范”。在傳統(tǒng)書法教育中，語(yǔ)文課程與書法課程對(duì)書寫文字的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)楷體”為練字基準(zhǔn)，避免學(xué)生練字過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題。

2）變“枯燥”為“快樂”。學(xué)生的生理心理特點(diǎn)會(huì)給傳統(tǒng)書法教學(xué)造成難度，如低年級(jí)學(xué)生由于手指小肌肉群的發(fā)育不成熟，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)書法；學(xué)生自制力差，專注力保持時(shí)間短，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中注意力。書法游戲化可以將枯燥的書法學(xué)習(xí)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(xí)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(gè)人模式、多人對(duì)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(jì)

游戲主角從小便對(duì)忠肝義膽的武俠世界心馳神往，常在發(fā)呆時(shí)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(gè)傳說(shuō)般生活在一座默默無(wú)聞的小縣城中。

主人公家長(zhǎng)決定將其送進(jìn)書法學(xué)習(xí)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(huì)其中趣味，在一次學(xué)習(xí)中進(jìn)入了夢(mèng)鄉(xiāng)，而后竟來(lái)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(shì)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(guò)一次次的戰(zhàn)斗獲得，并且由于主人公在現(xiàn)實(shí)中的書法課上總是偷懶，技藝不精，在這一世界的技能等級(jí)也處于初級(jí)階段，需要在打怪中逐漸精進(jìn)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(guò)反復(fù)的書法練習(xí)，一路上擊敗了眾多對(duì)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(jí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

書法練習(xí)是游戲的主題，也是游戲的核心玩法的設(shè)計(jì)依據(jù)。在對(duì)書法練習(xí)進(jìn)行游戲化設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)對(duì)玩家群體進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)游戲的核心機(jī)制。因?yàn)橹挥腥绱嗽O(shè)計(jì)，才能夠完成游戲化的初衷——使玩家更好地沉浸到書法練習(xí)這種非游戲元素之中。對(duì)于年齡較小的玩家來(lái)說(shuō)，人生經(jīng)歷尚不充分，因此該群體的學(xué)習(xí)過(guò)程、特點(diǎn)往往由年齡階段以及先天因素決定。在進(jìn)行玩家類型分析的過(guò)程中，游戲設(shè)計(jì)者往往運(yùn)用經(jīng)典的 Bartle 模型來(lái)表示玩家類型的拓?fù)鋱D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(gè)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?fù)鋱D譜，但 Bartle 模型始終以其簡(jiǎn)單、有效以及廣泛適用性受到了眾多游戲制作者的認(rèn)可。

經(jīng)過(guò)以上部分的分析，不難看出，為了鼓勵(lì)玩家獲取更多的安排在游戲流程中的書法教育知識(shí)，本游戲的核心機(jī)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(jī)制應(yīng)當(dāng)給予玩家一定的獎(jiǎng)勵(lì)，以此激發(fā)玩家對(duì)于書法練習(xí)的興趣，也就是說(shuō)，本游戲需要玩家獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)作為作用于世界的元素對(duì)核心機(jī)制進(jìn)行輔助。

在開發(fā)過(guò)程中，需要對(duì) NPC 的行為邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)化。將 NPC 的邏輯簡(jiǎn)化后可以得到一個(gè)如圖 2 所示的有限狀態(tài)機(jī)（finite state machine ,FSM），NPC 需要在各個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的方法有很多，例如常見的 if-else語(yǔ)句以及switch語(yǔ)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(shí)現(xiàn)邏輯復(fù)雜，使用以上方法會(huì)使得代碼難以維護(hù)。因此本課題使用抽象類繼承的方法實(shí)現(xiàn)該有限狀態(tài)機(jī)。如圖 3 為該部分的 UML 圖。

其中，Enemy Base State 是每一個(gè)狀態(tài)都會(huì)繼承的抽象類，Enter State 方法在進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)執(zhí)行一次，On Update 方法負(fù)責(zé)對(duì)狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，應(yīng)在腳本的 Fixed Update 方法中進(jìn)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(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在游戲中玩家通過(guò)手機(jī)攝像頭或者嵌入式拍照設(shè)備，將手寫在紙上的漢字進(jìn)行拍照捕捉形成圖片錄入游戲的評(píng)價(jià)系統(tǒng)部分。由系統(tǒng)將玩家手寫的漢字與標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)中的漢字進(jìn)行相似度的對(duì)比，得到對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)。

對(duì)于漢字評(píng)價(jià)我們使用了基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Siamese neural network）的評(píng)價(jià)算法。孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)顧名思義是有兩個(gè)相同或不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連體所得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)共享權(quán)值時(shí)，僅實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)就能完成整個(gè)孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搭建，例如兩個(gè) CNN 或兩個(gè) RNN。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值不共享時(shí)，則需要分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成搭建，如一個(gè) CNN 和一個(gè) RNN。孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大用途是比較兩個(gè)Input的相似程度。映射到《筆墨英俠》游戲中，一個(gè)輸入固定為標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)滿分手寫體，一個(gè)輸入為玩家游戲時(shí)拍照得到的手寫體。

本文中的評(píng)價(jià)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(gè)手寫漢字圖片將經(jīng)過(guò) VGG16 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征的提取并訓(xùn)練生成手寫漢字評(píng)價(jià)模型。對(duì)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(yǔ)文課本課后漢字手寫體，標(biāo)準(zhǔn)字體使用對(duì)應(yīng)漢字楷體的書寫體。由于缺乏統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此經(jīng)過(guò)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(píng)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(jìn)行手寫體評(píng)價(jià)的效果如圖4。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)書法文化的傳承問(wèn)題越來(lái)越得到社會(huì)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(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)書法的過(guò)程，在娛樂的同時(shí)也能很好的學(xué)習(xí)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(xiàn)力量。未來(lái)，我們將不斷提高深度學(xué)習(xí)算法的識(shí)別精度，精進(jìn)故事情節(jié)，努力創(chuàng)造更好的游戲體驗(yàn)服務(wù)于書法教學(xué)。

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