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

摘要：隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步，人們生活水平的提高，傳統的書(shū)法教學(xué)模式對少兒的吸引力愈發(fā)降低，傳統書(shū)法文化的傳承問(wèn)題變得十分重要，如何重塑少兒對書(shū)法的學(xué)習興趣是一個(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(shū)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。從故事情節設計與深度學(xué)習算法兩個(gè)維度改進(jìn)少兒學(xué)習書(shū)法的學(xué)習過(guò)程，必將為傳統書(shū)法文化傳承問(wèn)題帶來(lái)新的突破。

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

*基金項目：國家級大學(xué)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(lái)，傳統的書(shū)法教育問(wèn)題越來(lái)越得到廣泛的關(guān)注。但是傳統的書(shū)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(wèn)題，一個(gè)激發(fā)少兒學(xué)習興趣的新型教學(xué)模式應運而生。本文從少兒對游戲的接受度普遍較高的事實(shí)出發(fā)，設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(shū)法游戲。該游戲從書(shū)法人工智能游戲化入手，將傳統游戲開(kāi)發(fā)與創(chuàng )新性深度學(xué)習算法相結合，極大地提高了學(xué)生學(xué)習書(shū)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(shū)法游戲設計

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(lè )性低的內容進(jìn)行結合，更具趣味性地將此種內容的核心展現出來(lái)。將游戲中的核心機制應用在日常生活領(lǐng)域中，尤其是需要對玩家進(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(diǎn)，使人們更好地使用這些非游戲應用，由內而外自發(fā)地對其產(chǎn)生濃厚興趣，從而產(chǎn)生動(dòng)機。游戲化作品可以借助移動(dòng)設備、VR 等技術(shù)增強人機互動(dòng)，并借游戲機制鼓勵玩家進(jìn)行預先設計的游戲動(dòng)作，在游戲過(guò)程中加以引導，使人們完成開(kāi)發(fā)者為玩家設計的既定目標。

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(mén)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(jìn)人機互動(dòng)的有效手段，能夠推動(dòng)新型商業(yè)模式的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)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(hù)黏性，從而使自身產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競爭力得到有效的提升。

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

2.2 書(shū)法人工智能游戲化較傳統書(shū)法教育的優(yōu)勢

近年來(lái)，隨著(zhù)各方面對愛(ài)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外思想教育的重要課題。為了相應國家號召，使教育與互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相結合，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，并達成教學(xué)目標。傳統書(shū)法教育模式主要包括在校教育模式和課外書(shū)法教育模式。書(shū)法游戲化相較于傳統書(shū)法教育模式主要有以下優(yōu)勢：

1）變“陳舊”為“規范”。在傳統書(shū)法教育中，語(yǔ)文課程與書(shū)法課程對書(shū)寫(xiě)文字的標準不統一嚴重影響了學(xué)生日常寫(xiě)字的美觀(guān)性。而將書(shū)法游戲化可以以中小學(xué)課本中最基礎的漢字書(shū)體“標準楷體”為練字基準，避免學(xué)生練字過(guò)程中標準不統一的問(wèn)題。

2）變“枯燥”為“快樂(lè )”。學(xué)生的生理心理特點(diǎn)會(huì )給傳統書(shū)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(wú)法長(cháng)時(shí)間學(xué)習書(shū)法；學(xué)生自制力差，專(zhuān)注力保持時(shí)間短，無(wú)法長(cháng)時(shí)間集中注意力。書(shū)法游戲化可以將枯燥的書(shū)法學(xué)習變得更有樂(lè )趣，以適合少年兒童的游戲玩法逐步闖關(guān)打敗筆畫(huà)和漢字，讓學(xué)生充分享受練習書(shū)法的樂(lè )趣。

3）變“方法單一”為“形式豐富”。在傳統書(shū)法教育中，大多是在課上老師先講解然后學(xué)生寫(xiě)在田字格或米字格中，較為枯燥乏味。在書(shū)法游戲化里，游戲可以包含多重模式，如個(gè)人模式、多人對戰模式、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(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(cháng)決定將其送進(jìn)書(shū)法學(xué)習班，讓主人公在黑與白、頓與提的世界中修身養性，平心靜氣。然而主人公并未領(lǐng)會(huì )其中趣味，在一次學(xué)習中進(jìn)入了夢(mèng)鄉，而后竟來(lái)到了自己神往已久的武俠世界，由此開(kāi)啟了一段奇幻之旅！

主人公從民間聽(tīng)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(shū)寫(xiě)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)一次次的戰斗獲得，并且由于主人公在現實(shí)中的書(shū)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(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(shū)法大家的精神指引，見(jiàn)招拆招，通過(guò)反復的書(shū)法練習，一路上擊敗了眾多對書(shū)寫(xiě)美觀(guān)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》游戲設計與實(shí)現

書(shū)法練習是游戲的主題，也是游戲的核心玩法的設計依據。在對書(shū)法練習進(jìn)行游戲化設計之前，首先應對玩家群體進(jìn)行分析，并以此為依據設計游戲的核心機制。因為只有如此設計，才能夠完成游戲化的初衷——使玩家更好地沉浸到書(shū)法練習這種非游戲元素之中。對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(lèi)型分析的過(guò)程中，游戲設計者往往運用經(jīng)典的 Bartle 模型來(lái)表示玩家類(lèi)型的拓撲圖譜。在 Bartle 模型中，玩家被分為四種類(lèi)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(lèi)模型又出現了例如 Marczewski 模型之類(lèi)的更加復雜的分類(lèi)方法，豐富完善了玩家的拓撲圖譜，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可。

經(jīng)過(guò)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(shū)法教育知識，本游戲的核心機制應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，核心機制應當給予玩家一定的獎勵，以此激發(fā)玩家對于書(shū)法練習的興趣，也就是說(shuō)，本游戲需要玩家獎勵系統作為作用于世界的元素對核心機制進(jìn)行輔助。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對 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（finite state machine ,FSM），NPC 需要在各個(gè)狀態(tài)之間轉換。實(shí)現狀態(tài)機的方法有很多，例如常見(jiàn)的 if-else語(yǔ)句以及switch語(yǔ)句，但 AI 走路，跳躍，攻擊，技能的相互轉換，有些可以轉換，有些不能，實(shí)現邏輯復雜，使用以上方法會(huì )使得代碼難以維護。因此本課題使用抽象類(lèi)繼承的方法實(shí)現該有限狀態(tài)機。如圖 3 為該部分的 UML 圖。

其中，Enemy Base State 是每一個(gè)狀態(tài)都會(huì )繼承的抽象類(lèi)，Enter State 方法在進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)執行一次，On Update 方法負責對狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，應在腳本的 Fixed Update 方法中進(jìn)行調用。

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(lèi)與 Game Manager 類(lèi)，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(shū)法評價(jià)系統的設計與實(shí)現

在游戲中玩家通過(guò)手機攝像頭或者嵌入式拍照設備，將手寫(xiě)在紙上的漢字進(jìn)行拍照捕捉形成圖片錄入游戲的評價(jià)系統部分。由系統將玩家手寫(xiě)的漢字與標準字庫中的漢字進(jìn)行相似度的對比，得到對應分數。

對于漢字評價(jià)我們使用了基于孿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（Siamese neural network）的評價(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 )結構。當兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )共享權值時(shí)，僅實(shí)現一個(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。當兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )權值不共享時(shí)，則需要分別實(shí)現兩個(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)輸入固定為標準字庫滿(mǎn)分手寫(xiě)體，一個(gè)輸入為玩家游戲時(shí)拍照得到的手寫(xiě)體。

本文中的評價(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(xiě)漢字圖片將經(jīng)過(guò) VGG16 網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行特征的提取并訓練生成手寫(xiě)漢字評價(jià)模型。對于訓練使用的數據集我們使用了小學(xué)生手寫(xiě)的人教版一年語(yǔ)文課本課后漢字手寫(xiě)體，標準字體使用對應漢字楷體的書(shū)寫(xiě)體。由于缺乏統一評價(jià)標準，因此經(jīng)過(guò)咨詢(xún)專(zhuān)業(yè)書(shū)法教師后。我們將系統打分高于 0.8 分（滿(mǎn)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。系統進(jìn)行手寫(xiě)體評價(jià)的效果如圖4。

3 結語(yǔ)

傳統書(shū)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(zhù)人工智能的浪潮，本文創(chuàng )新性將傳統書(shū)法教學(xué)與人工智能技術(shù)相結合，改進(jìn)學(xué)生學(xué)習書(shū)法的過(guò)程，在娛樂(lè )的同時(shí)也能很好的學(xué)習書(shū)法，這一新型的人工智能書(shū)法游戲化模式能夠極大的為 書(shū)法文化的傳承貢獻力量。未來(lái)，我們將不斷提高深度學(xué)習算法的識別精度，精進(jìn)故事情節，努力創(chuàng )造更好的游戲體驗服務(wù)于書(shū)法教學(xué)。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)