基于孪生神经网络和Unity2D的《笔墨英侠》少儿书法游戏

罗玉媛 张垠涵 茅嘉禾 张子瀚 周思亦 姜浩睿 范嘉文 焦金龙 赵川

摘 要：随着社会的进步，人们生活水平的提高，传统的书法教学模式对少儿的吸引力愈发降低，传统书法文化的传承问题变得十分重要，如何重塑少儿对书法的学习兴趣是一个重要的问题，因此，本文创新性的提出一个全新的人工智能游戏化的新型书法教学模式，极大地提高了少儿的学习兴趣与学习体验。从故事情节设计与深度学习算法两个维度改进少儿学习书法的学习过程，必将为传统书法文化传承问题带来新的突破。

关键词：书法教育；游戏化；孪生神经网络；Unity2D；汉字评价

*基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：202010065007

1 概述

近年来，传统的书法教育问题越来越得到广泛的关注。但是传统的书法教育模式由于存在交互性差、少儿学习积极性不高等问题，一个激发少儿学习兴趣的新型教学模式应运而生。本文从少儿对游戏的接受度普遍较高的事实出发，设计了一款基于孪生神经网络和Unity2D的《笔墨英侠》少儿书法游戏。该游戏从书法人工智能游戏化入手，将传统游戏开发与创新性深度学习算法相结合，极大地提高了学生学习书法的体验。

2 基于孪生神经网络和Unity2D的《笔墨英侠》少儿书法游戏设计

2.1 人工智能与游戏化

游戏化，指将游戏这种高趣味的交互形式与其他本身交互性低、娱乐性低的内容进行结合，更具趣味性地将此种内容的核心展现出来。将游戏中的核心机制应用在日常生活领域中，尤其是需要对玩家进行指引的某些场景中，以此来刺激人们更好地融入其中，这就是游戏化的含义。游戏化往往以令使用者更好地沉浸于上述情景当中为目的，并充分利用游戏机制能够吸引玩家注意力的特点，使人们更好地使用这些非游戏应用，由内而外自发地对其产生浓厚兴趣，从而产生动机。游戏化作品可以借助移动设备、VR等技术增强人机互动，并借游戏机制鼓励玩家进行预先设计的游戏动作，在游戏过程中加以引导，使人们完成开发者为玩家设计的既定目标。

游戏化对于消费者以及互联网产业的发展都具有深远意义。一方面，游戏化能够有效降低某一领域的门槛，使之大众化，也能够让消费者借助游戏这一形式更好地了解某一非游戏领域，令消费者更快地掌握某项技能或者更深度地投入到一件工作之中。另一方面，游戏化作为促进人机互动的有效手段，能够推动新型商业模式的开发，促进企业的创新，增强自身游戏产品对于消费者的吸引力，增强用户黏性，从而使自身产品在市场中的竞争力得到有效的提升。

本文旨在介绍将传统书法练习游戏化，开发出一款书法练习趣味性较强的游戏软件——笔墨英侠，这一软件将区别于已有的缺乏趣味性的书法练习“严肃游戏”，为青少年的书法练习提供更多的内驱力。

2.2 书法人工智能游戏化较传统书法教育的优势

近年来，随着各方面对爱国主义教育的不断重视，如何提升中小学生的民族自信心与民族自豪感成为了校内外思想教育的重要课题。为了相应国家号召，使教育与互联网行业相结合，许多公司尝试将教育模式进行游戏化，以此更好地吸引学生进行游玩，并达成教学目标。传统书法教育模式主要包括在校教育模式和课外书法教育模式。书法游戏化相较于传统书法教育模式主要有以下优势：

1）变“陈旧”为“规范”。在传统书法教育中，语文课程与书法课程对书写文字的标准不统一严重影响了学生日常写字的美观性。而将书法游戏化可以以中小学课本中最基础的汉字书体“标准楷体”为练字基准，避免学生练字过程中标准不统一的问题。

2）变“枯燥”为“快乐”。学生的生理心理特点会给传统书法教学造成难度，如低年级学生由于手指小肌肉群的发育不成熟，无法长时间学习书法；学生自制力差，专注力保持时间短，无法长时间集中注意力。书法游戏化可以将枯燥的书法学习变得更有乐趣，以适合少年儿童的游戏玩法逐步闯关打败笔画和汉字，让学生充分享受练习书法的乐趣。

3）变“方法单一”为“形式丰富”。在传统书法教育中，大多是在课上老师先讲解然后学生写在田字格或米字格中，较为枯燥乏味。在书法游戏化里，游戏可以包含多重模式，如个人模式、多人对战模式、多人配合模式或亲子模式，变得更加形式丰富。

2.3 《笔墨英侠》游戏故事剧情设计

游戏主角从小便对忠肝义胆的武侠世界心驰神往，常在发呆时幻想自己是一位飞檐走壁的神捕、一名游巡于漫漫竹海的侠客……像一个传说般生活在一座默默无闻的小县城中。

主人公家长决定将其送进书法学习班，让主人公在黑与白、顿与提的世界中修身养性，平心静气。然而主人公并未领会其中趣味，在一次学习中进入了梦乡，而后竟来到了自己神往已久的武侠世界，由此开启了一段奇幻之旅！

主人公从民间听闻这里已被灰暗力量笼罩已久，大约一年以前，这里的人们忽然丧失了书写的能力，民众为此甚是苦恼。于是主人公决定以笔墨为武器，与这里的暗势力抗衡，帮助人们恢复这一重要能力。初次踏上旅途，主人公的行囊中只有一支笔与一张纸，其余的装备只可通过一次次的战斗获得，并且由于主人公在现实中的书法课上总是偷懒，技艺不精，在这一世界的技能等级也处于初级阶段，需要在打怪中逐渐精进自己的技能。

主人公凭借自己的聪明才智，以及在途中受到的诸位书法大家的精神指引，见招拆招，通过反复的书法练习，一路上击败了众多对书写美观造成干扰的小喽啰，以及妒之暗影、惰之魔神、涣之鬼魅等一系列超级大魔头，最终修炼成为这里赫赫有名的“笔墨英侠”，成功拯救了这里的民众。

2.4 基于Unity2D的《笔墨英侠》游戏设计与实现

书法练习是游戏的主题，也是游戏的核心玩法的设计依据。在对书法练习进行游戏化设计之前，首先应对玩家群体进行分析，并以此为依据设计游戏的核心机制。因为只有如此设计，才能够完成游戏化的初衷——使玩家更好地沉浸到书法练习这种非游戏元素之中。对于年龄较小的玩家来说，人生经历尚不充分，因此该群体的学习过程、特点往往由年龄阶段以及先天因素决定。在进行玩家类型分析的过程中，游戏设计者往往运用经典的Bartle模型来表示玩家类型的拓扑图谱。在Bartle模型中，玩家被分为四种类型：成就型玩家（Achievers）、探索型玩家（Explorers）、社交型玩家（Socialisers）和杀手型玩家（Killers）。Bartle模型并不是一個完善的玩家分类模型又出现了例如Marczewski模型之类的更加复杂的分类方法，丰富完善了玩家的拓扑图谱，但Bartle模型始终以其简单、有效以及广泛适用性受到了众多游戏制作者的认可。

经过以上部分的分析，不难看出，为了鼓励玩家获取更多的安排在游戏流程中的书法教育知识，本游戏的核心机制应该以交互于世界为主体，并且由于其所面向的玩家年龄较低，因此，核心机制应当给予玩家一定的奖励，以此激发玩家对于书法练习的兴趣，也就是说，本游戏需要玩家奖励系统作为作用于世界的元素对核心机制进行辅助。

在开发过程中，需要对NPC的行为逻辑进行简化。将NPC的逻辑简化后可以得到一个如图2所示的有限状态机（finite state machine ，FSM），NPC需要在各个状态之间转换。实现状态机的方法有很多，例如常见的if-else语句以及switch语句，但AI走路，跳跃，攻击，技能的相互转换，有些可以转换，有些不能，实现逻辑复杂，使用以上方法会使得代码难以维护。因此本课题使用抽象类继承的方法实现该有限状态机。如图3为该部分的UML图。

其中，Enemy Base State是每一个状态都会继承的抽象类，Enter State方法在进入该状态时执行一次，On Update方法负责对状态的实时更新，应在脚本的Fixed Update方法中进行调用。

游戏事务管理使用单例模式创建UI Manager类与Game Manager類，UML图如图3所示。

2.5 基于孪生神经网络的《笔墨英侠》书法评价系统的设计与实现

在游戏中玩家通过手机摄像头或者嵌入式拍照设备，将手写在纸上的汉字进行拍照捕捉形成图片录入游戏的评价系统部分。由系统将玩家手写的汉字与标准字库中的汉字进行相似度的对比，得到对应分数。

对于汉字评价我们使用了基于孪生神经网络（Siamese neural network）的评价算法。孪生神经网络顾名思义是有两个相同或不同的神经网络进行连体所得到的网络结构。当两个网络共享权值时，仅实现一个网络就能完成整个孪生神经网络的搭建，例如两个CNN或两个RNN。当两个网络权值不共享时，则需要分别实现两个网络来完成搭建，如一个CNN和一个RNN。孪生神经网络的最大用途是比较两个Input的相似程度。映射到《笔墨英侠》游戏中，一个输入固定为标准字库满分手写体，一个输入为玩家游戏时拍照得到的手写体。

本文中的评价算法，使用了VGG16作为孪生神经网络的主干特征提取网络，输入的两个手写汉字图片将经过VGG16网络进行特征的提取并训练生成手写汉字评价模型。对于训练使用的数据集我们使用了小学生手写的人教版一年语文课本课后汉字手写体，标准字体使用对应汉字楷体的书写体。由于缺乏统一评价标准，因此经过咨询专业书法教师后。我们将系统打分高于0.8分（满分1.0分）评判为合格体，0.8-0.9分为良体，0.9-1.0分为优。低于0.8分为不合格体，为差体。系统进行手写体评价的效果如图4。

3 结语

传统书法文化的传承问题越来越得到社会的广泛关注，借着人工智能的浪潮，本文创新性将传统书法教学与人工智能技术相结合，改进学生学习书法的过程，在娱乐的同时也能很好的学习书法，这一新型的人工智能书法游戏化模式能够极大的为书法文化的传承贡献力量。未来，我们将不断提高深度学习算法的识别精度，精进故事情节，努力创造更好的游戏体验服务于书法教学。

参考文献：

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