二维骨骼技术在虚拟现实教学中的应用与探索

肖淇元

（湖南大众传媒职业技术学院 视觉艺术学院，湖南 长沙 410100）

随着现代社会发展和数字技术快速进步，根据二维平面素材的分层及相关骨骼链接图像形成网格拉伸制作出艺术素材的骨骼技术也开始兴起，并在相应市场中得到广泛的运用。同时，虚拟现实技术迅速进入大众视野，虚拟现实教学也因此快速发展，令教学逐渐变得信息化、智能化。灵活运用虚拟现实的特性，进行二维骨骼技术教学探索，有助于学生的个性化发展及全方位能力的提升。

一、虚拟现实技术及其优势

2016 年被称为是中国虚拟现实的“元年”，自此以后，虚拟现实技术日益受到全社会关注，并逐渐运用到在动画、游戏等教学领域中。

（一）虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）是现阶段以计算机技术为核心的信息技术，生成与现实环境相似的数字化环境，该环境在触感、视觉等方面与现实存在明显的相似性，可以为人们提供良好的服务。［1］虚拟现实有着沉浸性、交互性、智能化的特性。现在对于虚拟现实应用方向的探讨和研究主要是两个方面，一个是虚拟现实技术和人工智能（Artificial Intelligence）的结合，另一个是虚拟现实教学的应用。

（二）虚拟现实教学的特点及优势

传统教学主要处于教室环境中，以教师和学生面对面的交流来传授知识。一部分课堂需要进行试验展示，但现实环境下每次进行试验都要消耗材料，有些实验操作不当还可能在课堂上造成危害。在虚拟现实空间中进行教学，可以重复模拟各种复杂实验，如飞行、汽车驾驶、宇航员训练等，可以随时进行试验和练习的重置和调整。这在一定程度上节省了材料和时间成本，更重要的是避免使用者受到伤害，以保证教学的安全进行。

利用虚拟现实技术进行动画、游戏等教学时，一些概念性知识可以进行数字化模拟展示。例如在描述不同风格的艺术作品时，可以对整个虚拟教学环境和身处其中的教学人员虚拟形象进行调整，同步成相应的风格，以此增强学生对知识难点的理解。这种沉浸性、交互性教学有助于学生对于技术和知识的理解、练习。

二、二维骨骼技术及其应用需求

数字化技术的发展对拓宽了动画和相关艺术创作的表达方式。自20 世纪90 年代开始，无纸绘画软件和三维数字化技术迅速发展，给二维动画制作和相关艺术市场带来巨大变革。三维动画制作的兴起虽然冲击了二维动画制作的市场空间，但二维绘画、动画绑定也因为三维的辅助而大幅提高了作画效率及精度。在这样的大环境下，二维骨骼技术不断发展成熟，利用该技术所制作的动画等相关艺术素材也广泛应用到各个领域中。

（一）二维骨骼技术原理与优势

二维骨骼技术通过相应软件上的木偶工具或者骨骼工具，根据人体或者动物基本骨骼结构参考，建立虚拟的骨骼骨架，然后以此和进行相应分层的图片素材建立起IK（Inverse Kinematics，反向运动）的骨骼关系“父子链”，［2］随后赋予相应的参数，使其进行运动和调整。相较于传统二维动画的逐帧绘制，这对于图片素材的需求量大大减少，可以减少不必要的人力消耗，同时能最大程度地保留原画的风格。随着技术的发展，单张素材进行相应的分层处理后，可以运动展示的效果也变得多样。

（二）二维骨骼技术的应用需求

二维骨骼技术在ACG 作品、虚拟形象建立、交互设置中有着非常大的市场，与骨骼绑定教学相关的课程也正符合目前市场的发展需求。

1.ACG 作品应用

二维骨骼技术在ACG（动画、漫画、游戏的合称）产业中有着广泛的运用。一些热门IP游戏，如《原神》《王者荣耀》等游戏的部分核心素材的宣发中，会采用插图进行相应分层，随后进行二维骨骼绑定，加上后期转场效果，新的动画宣传可以吸引流量。相对于传统二维动画制作，其周期大大缩短，并且很好地保留了原本图像的画风。而在游戏内的制作素材中，像《碧蓝航线》《天命之子》等游戏的人物立绘都是利用LIVE2D 骨骼绑定技术制作动态，令游戏本身更具吸引力。在漫画方面，现在的主流是在手机平台上根据屏幕设计和阅读习惯而形成的长条漫画。一部分漫画会在基本漫画素材的基础上，进行简单分层和骨骼绑定和动态调整，加上配音，以此制作有声动态漫画进行宣传。

2.虚拟形象建立

虚拟主播是指通过面部捕捉技术和二维骨骼技术，以LIVE2D 软件为主进行虚拟角色的绑定，以此做成虚拟形象，在相关视频网站上进行活动的主播。国内一般会称为VUP（Virtual UP），也就是指虚拟UP 主。在国外，因为主要活动平台是在视频网站YouTUbe 上，所以会被称为VTB（Virtual YouTuber）。［3］从2016年到现在，虚拟主播从业人数从几百人发展到万人以上，虚拟主播公司逐渐成立并且规范化，甚至有大学已经专门成立了虚拟主播专业，可见产业发展之快。在二维动画骨骼绑定方面，从个人到公司，各类渠道的虚拟形象有大量的绑定需求，专门的二维骨骼绑定师职位也在不断增多。

3.交互设置展示

近年来，文化创意产业日渐兴起。以博物馆为例，在进行文物、文化展示时，会加入现代化及轻量化的设计，在衍生品方面也朝更亲民、更年轻化的趋势进行设计。在现代各种艺术展览中，利用二维骨骼技术所制作的与传统文化相关的交互设置，会给观众留下深刻的印象，有利于观众更好地理解展览内容。

三、二维骨骼技术在虚拟现实教学中的应用

虚拟现实技术的特性有助于二维骨骼技术教学。二维骨骼技术教学的难点在于骨骼概念的阐述及实际软件的应用创作，通过虚拟现实教学可以帮助学生理解概念，也有助于他们进行后续项目的实践。

（一）虚拟现实环境下的骨骼绑定课程教学

通过虚拟现实技术建立相应的虚拟现实教学空间或实验室，相对于传统的面对面教学，可以在一定程度上打破时间和空间的概念，令教学环境更具有沉浸性和交互性，令知识传授更加有效。通过虚拟现实环境进行骨骼绑定教学时，教学的重点是利用虚拟现实空间，将骨骼绑定概念中的骨骼和真实的人体骨骼进行区分。以往教师进行骨骼绑定概念的讲解时，有学生因为无法理解绑定概念而不能很好地进行实际操作。因此教师可以利用虚拟现实教学空间，将正常骨骼模型、三维及二维模型中的绑定骨骼进行对比。骨骼绑定中所指的骨骼是基于现实骨骼大幅度简化而成的概念骨骼，采用虚拟现实空间中的模型对比进行相应解说，在很大程度上便于学生对于骨骼绑定理论的深入理解。

现在二维骨骼绑定主流方式是根据不同需求，在相应软件或插件中对素材进行编辑和处理。常用二维骨骼绑定软件中，LIVE2D 适用于面部捕捉多层次绑定展现；依托于AE 本身及相关插件，如Duik 等骨骼绑定插件，则多运用于各类IP 作品视频宣发中；Spine 多运用在交互需求较多的游戏中。Spine 和LIVE2D 两款骨骼绑定软件的注重点不同，前者倾向于复杂立绘的动态交互和脸部捕捉，后者则倾向于模型在游戏中整体动态交互。不论是哪种软件平台，都依托于虚拟骨骼这个概念。因此运用虚拟现实教学环境进行二维骨骼绑定教学，教师可以对比不同软件平台操纵骨骼绑定时在骨骼绑定方式及虚拟骨骼构造等方面的差异性。

虚拟现实教学拓宽了二维骨骼技术教学的展现方式和展现空间，可以让学生在学习理论知识的同时进行更全面的实践操作，同时能够完善相关的虚拟现实资源库及图书馆等虚拟现实空间。

（二）虚拟形象设计绑定

从2007 年开始，人们开始注意到虚拟偶像的存在，到了2016 年，虚拟主播开始盛行。从虚拟偶像到虚拟主播，虚拟形象早已不知不觉地影响着人们的生活。就二维骨骼技术来说，依托于LIVE2D 绑定及面部捕捉技术的成熟，使用者可以运用它迅速设计虚拟形象。直接根据虚拟形象建造新的三维形象，在资源消耗上相对较大，而依托于二维骨骼绑定的虚拟形象，可以以低成本的方式迅速树立良好的IP形象，以此取得相应的流量后再进行进一步的拓展。随着虚拟现实技术的进步，虚拟主播的线上直播及LIVE 演唱也带来很高关注度。

在教学方面，教师和学生都可以依据自己的需求运用二维骨骼技术进行操作练习，确立自身的虚拟形象。LIVE2D 软件可以进行免费试用，将LIVE2D 软件引入到二维骨骼绑定课程教学中后，灵活制作、绑定虚拟形象是教学中的重点和难点之一。学生通过实践完成属于自己的虚拟形象后，教师可以建立相应的虚拟教学空间，进行程序的导入，让学生在虚拟现实教学中进行面部捕捉，直接测试自身绑定模型，了解绑定的问题所在，以便进一步精修模型。由此，学生能够更快速地掌握二维骨骼绑定的原理，并从自身绑定出的风格化模型中获得成就感。

（三）虚拟现实环境中的风格化展现

虚拟现实以三维环境为主，但随着时代的进步，除了单纯追求真实质感之外，也开始出现风格化的渲染和展示。二维骨骼技术制作出的动画，在虚拟现实环境中能够以序列帧的方式导入。在虚拟现实环境的建设中，虚拟现实舞台、教室等环境，或者是相应的虚拟空间内的流程引导，都能运用二维骨骼技术所做出的动画作为风格化展示，并进行交互。

虚拟现实教学具有非常强的交互性，使用者可以与虚拟环境进行交互，也能与其他参与者进行交互。在虚拟现实教学中，学生做好相应的骨骼绑定动画后，使用虚拟现实空间进行相应的设计和预览，以此进行技术练习和实时反馈。这样能锻炼学生的技术能力，也可以增强学生的审美能力和适应能力。在实际课堂中进行一定的实践后，学生可以在部分风格化舞台中进行初步渲染展示。相较于传统教学，这更能激发学生的学习兴趣与实践兴趣。

（四）虚拟现实书籍

虚拟现实在广义上包含增强现实（Augmented Reality） 和混合现实（Mixed Reality）。在虚拟现实空间内可以直接依托空间进行知识交互，而在现实世界中，依托各类数字化工具也能有不同的展示方式。VR/AR 艺术的概念不断兴起，影响到相关媒介的展现。插画师Jarom Vogel 依托相关软件将所绘制的图片映射在相应背景上，以三维空间的方式进行呈现（如下图）［4］。该程序支持8 帧左右的动画，虽然有一定局限性，但是可以让各类图片迅速在虚拟现实空间生成特别的效果。教师可以在课程中以此为案例作为引导，进行简易二维动画序列帧导出后，在虚拟现实空间中进行展示。这其中的难点在于该案例有部分需要引用简易代码，重点则在于运用二维骨骼技术生成简易动画，并在虚拟现实空间中展现出独特效果。

图 Jarom Vogel AR 教程

随着时代的发展，技术操作变得更为轻量化。利用二维骨骼技术和虚拟现实技术的结合，教师可以将对图片素材进行二维骨骼绑定后所形成的动画作为基本素材，通过引导转场加入剧情，利用AR/VR 数字化工具作为空间载体，令传统的漫画、绘本等书籍有新的媒介和展示空间。同时，教师可以将中华优秀传统文化依托于虚拟现实书籍进行展现，使学生在学习技术知识的同时受到传统文化的熏陶。