二維骨骼技術(shù)在虛擬現(xiàn)實教學(xué)中的應(yīng)用與探索

肖淇元

（湖南大眾傳媒職業(yè)技術(shù)學(xué)院 視覺藝術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410100）

隨著現(xiàn)代社會發(fā)展和數(shù)字技術(shù)快速進步，根據(jù)二維平面素材的分層及相關(guān)骨骼鏈接圖像形成網(wǎng)格拉伸制作出藝術(shù)素材的骨骼技術(shù)也開始興起，并在相應(yīng)市場中得到廣泛的運用。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)迅速進入大眾視野，虛擬現(xiàn)實教學(xué)也因此快速發(fā)展，令教學(xué)逐漸變得信息化、智能化。靈活運用虛擬現(xiàn)實的特性，進行二維骨骼技術(shù)教學(xué)探索，有助于學(xué)生的個性化發(fā)展及全方位能力的提升。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其優(yōu)勢

2016 年被稱為是中國虛擬現(xiàn)實的“元年”，自此以后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)日益受到全社會關(guān)注，并逐漸運用到在動畫、游戲等教學(xué)領(lǐng)域中。

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality Technology）是現(xiàn)階段以計算機技術(shù)為核心的信息技術(shù)，生成與現(xiàn)實環(huán)境相似的數(shù)字化環(huán)境，該環(huán)境在觸感、視覺等方面與現(xiàn)實存在明顯的相似性，可以為人們提供良好的服務(wù)。［1］虛擬現(xiàn)實有著沉浸性、交互性、智能化的特性?，F(xiàn)在對于虛擬現(xiàn)實應(yīng)用方向的探討和研究主要是兩個方面，一個是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和人工智能（Artificial Intelligence）的結(jié)合，另一個是虛擬現(xiàn)實教學(xué)的應(yīng)用。

（二）虛擬現(xiàn)實教學(xué)的特點及優(yōu)勢

傳統(tǒng)教學(xué)主要處于教室環(huán)境中，以教師和學(xué)生面對面的交流來傳授知識。一部分課堂需要進行試驗展示，但現(xiàn)實環(huán)境下每次進行試驗都要消耗材料，有些實驗操作不當(dāng)還可能在課堂上造成危害。在虛擬現(xiàn)實空間中進行教學(xué)，可以重復(fù)模擬各種復(fù)雜實驗，如飛行、汽車駕駛、宇航員訓(xùn)練等，可以隨時進行試驗和練習(xí)的重置和調(diào)整。這在一定程度上節(jié)省了材料和時間成本，更重要的是避免使用者受到傷害，以保證教學(xué)的安全進行。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行動畫、游戲等教學(xué)時，一些概念性知識可以進行數(shù)字化模擬展示。例如在描述不同風(fēng)格的藝術(shù)作品時，可以對整個虛擬教學(xué)環(huán)境和身處其中的教學(xué)人員虛擬形象進行調(diào)整，同步成相應(yīng)的風(fēng)格，以此增強學(xué)生對知識難點的理解。這種沉浸性、交互性教學(xué)有助于學(xué)生對于技術(shù)和知識的理解、練習(xí)。

二、二維骨骼技術(shù)及其應(yīng)用需求

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展對拓寬了動畫和相關(guān)藝術(shù)創(chuàng)作的表達方式。自20 世紀90 年代開始，無紙繪畫軟件和三維數(shù)字化技術(shù)迅速發(fā)展，給二維動畫制作和相關(guān)藝術(shù)市場帶來巨大變革。三維動畫制作的興起雖然沖擊了二維動畫制作的市場空間，但二維繪畫、動畫綁定也因為三維的輔助而大幅提高了作畫效率及精度。在這樣的大環(huán)境下，二維骨骼技術(shù)不斷發(fā)展成熟，利用該技術(shù)所制作的動畫等相關(guān)藝術(shù)素材也廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。

（一）二維骨骼技術(shù)原理與優(yōu)勢

二維骨骼技術(shù)通過相應(yīng)軟件上的木偶工具或者骨骼工具，根據(jù)人體或者動物基本骨骼結(jié)構(gòu)參考，建立虛擬的骨骼骨架，然后以此和進行相應(yīng)分層的圖片素材建立起IK（Inverse Kinematics，反向運動）的骨骼關(guān)系“父子鏈”，［2］隨后賦予相應(yīng)的參數(shù)，使其進行運動和調(diào)整。相較于傳統(tǒng)二維動畫的逐幀繪制，這對于圖片素材的需求量大大減少，可以減少不必要的人力消耗，同時能最大程度地保留原畫的風(fēng)格。隨著技術(shù)的發(fā)展，單張素材進行相應(yīng)的分層處理后，可以運動展示的效果也變得多樣。

（二）二維骨骼技術(shù)的應(yīng)用需求

二維骨骼技術(shù)在ACG 作品、虛擬形象建立、交互設(shè)置中有著非常大的市場，與骨骼綁定教學(xué)相關(guān)的課程也正符合目前市場的發(fā)展需求。

1.ACG 作品應(yīng)用

二維骨骼技術(shù)在ACG（動畫、漫畫、游戲的合稱）產(chǎn)業(yè)中有著廣泛的運用。一些熱門IP游戲，如《原神》《王者榮耀》等游戲的部分核心素材的宣發(fā)中，會采用插圖進行相應(yīng)分層，隨后進行二維骨骼綁定，加上后期轉(zhuǎn)場效果，新的動畫宣傳可以吸引流量。相對于傳統(tǒng)二維動畫制作，其周期大大縮短，并且很好地保留了原本圖像的畫風(fēng)。而在游戲內(nèi)的制作素材中，像《碧藍航線》《天命之子》等游戲的人物立繪都是利用LIVE2D 骨骼綁定技術(shù)制作動態(tài)，令游戲本身更具吸引力。在漫畫方面，現(xiàn)在的主流是在手機平臺上根據(jù)屏幕設(shè)計和閱讀習(xí)慣而形成的長條漫畫。一部分漫畫會在基本漫畫素材的基礎(chǔ)上，進行簡單分層和骨骼綁定和動態(tài)調(diào)整，加上配音，以此制作有聲動態(tài)漫畫進行宣傳。

2.虛擬形象建立

虛擬主播是指通過面部捕捉技術(shù)和二維骨骼技術(shù)，以LIVE2D 軟件為主進行虛擬角色的綁定，以此做成虛擬形象，在相關(guān)視頻網(wǎng)站上進行活動的主播。國內(nèi)一般會稱為VUP（Virtual UP），也就是指虛擬UP 主。在國外，因為主要活動平臺是在視頻網(wǎng)站YouTUbe 上，所以會被稱為VTB（Virtual YouTuber）。［3］從2016年到現(xiàn)在，虛擬主播從業(yè)人數(shù)從幾百人發(fā)展到萬人以上，虛擬主播公司逐漸成立并且規(guī)范化，甚至有大學(xué)已經(jīng)專門成立了虛擬主播專業(yè)，可見產(chǎn)業(yè)發(fā)展之快。在二維動畫骨骼綁定方面，從個人到公司，各類渠道的虛擬形象有大量的綁定需求，專門的二維骨骼綁定師職位也在不斷增多。

3.交互設(shè)置展示

近年來，文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)日漸興起。以博物館為例，在進行文物、文化展示時，會加入現(xiàn)代化及輕量化的設(shè)計，在衍生品方面也朝更親民、更年輕化的趨勢進行設(shè)計。在現(xiàn)代各種藝術(shù)展覽中，利用二維骨骼技術(shù)所制作的與傳統(tǒng)文化相關(guān)的交互設(shè)置，會給觀眾留下深刻的印象，有利于觀眾更好地理解展覽內(nèi)容。

三、二維骨骼技術(shù)在虛擬現(xiàn)實教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性有助于二維骨骼技術(shù)教學(xué)。二維骨骼技術(shù)教學(xué)的難點在于骨骼概念的闡述及實際軟件的應(yīng)用創(chuàng)作，通過虛擬現(xiàn)實教學(xué)可以幫助學(xué)生理解概念，也有助于他們進行后續(xù)項目的實踐。

（一）虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的骨骼綁定課程教學(xué)

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實教學(xué)空間或?qū)嶒炇?，相對于傳統(tǒng)的面對面教學(xué)，可以在一定程度上打破時間和空間的概念，令教學(xué)環(huán)境更具有沉浸性和交互性，令知識傳授更加有效。通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行骨骼綁定教學(xué)時，教學(xué)的重點是利用虛擬現(xiàn)實空間，將骨骼綁定概念中的骨骼和真實的人體骨骼進行區(qū)分。以往教師進行骨骼綁定概念的講解時，有學(xué)生因為無法理解綁定概念而不能很好地進行實際操作。因此教師可以利用虛擬現(xiàn)實教學(xué)空間，將正常骨骼模型、三維及二維模型中的綁定骨骼進行對比。骨骼綁定中所指的骨骼是基于現(xiàn)實骨骼大幅度簡化而成的概念骨骼，采用虛擬現(xiàn)實空間中的模型對比進行相應(yīng)解說，在很大程度上便于學(xué)生對于骨骼綁定理論的深入理解。

現(xiàn)在二維骨骼綁定主流方式是根據(jù)不同需求，在相應(yīng)軟件或插件中對素材進行編輯和處理。常用二維骨骼綁定軟件中，LIVE2D 適用于面部捕捉多層次綁定展現(xiàn)；依托于AE 本身及相關(guān)插件，如Duik 等骨骼綁定插件，則多運用于各類IP 作品視頻宣發(fā)中；Spine 多運用在交互需求較多的游戲中。Spine 和LIVE2D 兩款骨骼綁定軟件的注重點不同，前者傾向于復(fù)雜立繪的動態(tài)交互和臉部捕捉，后者則傾向于模型在游戲中整體動態(tài)交互。不論是哪種軟件平臺，都依托于虛擬骨骼這個概念。因此運用虛擬現(xiàn)實教學(xué)環(huán)境進行二維骨骼綁定教學(xué)，教師可以對比不同軟件平臺操縱骨骼綁定時在骨骼綁定方式及虛擬骨骼構(gòu)造等方面的差異性。

虛擬現(xiàn)實教學(xué)拓寬了二維骨骼技術(shù)教學(xué)的展現(xiàn)方式和展現(xiàn)空間，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時進行更全面的實踐操作，同時能夠完善相關(guān)的虛擬現(xiàn)實資源庫及圖書館等虛擬現(xiàn)實空間。

（二）虛擬形象設(shè)計綁定

從2007 年開始，人們開始注意到虛擬偶像的存在，到了2016 年，虛擬主播開始盛行。從虛擬偶像到虛擬主播，虛擬形象早已不知不覺地影響著人們的生活。就二維骨骼技術(shù)來說，依托于LIVE2D 綁定及面部捕捉技術(shù)的成熟，使用者可以運用它迅速設(shè)計虛擬形象。直接根據(jù)虛擬形象建造新的三維形象，在資源消耗上相對較大，而依托于二維骨骼綁定的虛擬形象，可以以低成本的方式迅速樹立良好的IP形象，以此取得相應(yīng)的流量后再進行進一步的拓展。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進步，虛擬主播的線上直播及LIVE 演唱也帶來很高關(guān)注度。

在教學(xué)方面，教師和學(xué)生都可以依據(jù)自己的需求運用二維骨骼技術(shù)進行操作練習(xí)，確立自身的虛擬形象。LIVE2D 軟件可以進行免費試用，將LIVE2D 軟件引入到二維骨骼綁定課程教學(xué)中后，靈活制作、綁定虛擬形象是教學(xué)中的重點和難點之一。學(xué)生通過實踐完成屬于自己的虛擬形象后，教師可以建立相應(yīng)的虛擬教學(xué)空間，進行程序的導(dǎo)入，讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實教學(xué)中進行面部捕捉，直接測試自身綁定模型，了解綁定的問題所在，以便進一步精修模型。由此，學(xué)生能夠更快速地掌握二維骨骼綁定的原理，并從自身綁定出的風(fēng)格化模型中獲得成就感。

（三）虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的風(fēng)格化展現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實以三維環(huán)境為主，但隨著時代的進步，除了單純追求真實質(zhì)感之外，也開始出現(xiàn)風(fēng)格化的渲染和展示。二維骨骼技術(shù)制作出的動畫，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中能夠以序列幀的方式導(dǎo)入。在虛擬現(xiàn)實環(huán)境的建設(shè)中，虛擬現(xiàn)實舞臺、教室等環(huán)境，或者是相應(yīng)的虛擬空間內(nèi)的流程引導(dǎo)，都能運用二維骨骼技術(shù)所做出的動畫作為風(fēng)格化展示，并進行交互。

虛擬現(xiàn)實教學(xué)具有非常強的交互性，使用者可以與虛擬環(huán)境進行交互，也能與其他參與者進行交互。在虛擬現(xiàn)實教學(xué)中，學(xué)生做好相應(yīng)的骨骼綁定動畫后，使用虛擬現(xiàn)實空間進行相應(yīng)的設(shè)計和預(yù)覽，以此進行技術(shù)練習(xí)和實時反饋。這樣能鍛煉學(xué)生的技術(shù)能力，也可以增強學(xué)生的審美能力和適應(yīng)能力。在實際課堂中進行一定的實踐后，學(xué)生可以在部分風(fēng)格化舞臺中進行初步渲染展示。相較于傳統(tǒng)教學(xué)，這更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與實踐興趣。

（四）虛擬現(xiàn)實書籍

虛擬現(xiàn)實在廣義上包含增強現(xiàn)實（Augmented Reality） 和混合現(xiàn)實（Mixed Reality）。在虛擬現(xiàn)實空間內(nèi)可以直接依托空間進行知識交互，而在現(xiàn)實世界中，依托各類數(shù)字化工具也能有不同的展示方式。VR/AR 藝術(shù)的概念不斷興起，影響到相關(guān)媒介的展現(xiàn)。插畫師Jarom Vogel 依托相關(guān)軟件將所繪制的圖片映射在相應(yīng)背景上，以三維空間的方式進行呈現(xiàn)（如下圖）［4］。該程序支持8 幀左右的動畫，雖然有一定局限性，但是可以讓各類圖片迅速在虛擬現(xiàn)實空間生成特別的效果。教師可以在課程中以此為案例作為引導(dǎo)，進行簡易二維動畫序列幀導(dǎo)出后，在虛擬現(xiàn)實空間中進行展示。這其中的難點在于該案例有部分需要引用簡易代碼，重點則在于運用二維骨骼技術(shù)生成簡易動畫，并在虛擬現(xiàn)實空間中展現(xiàn)出獨特效果。

圖 Jarom Vogel AR 教程

隨著時代的發(fā)展，技術(shù)操作變得更為輕量化。利用二維骨骼技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合，教師可以將對圖片素材進行二維骨骼綁定后所形成的動畫作為基本素材，通過引導(dǎo)轉(zhuǎn)場加入劇情，利用AR/VR 數(shù)字化工具作為空間載體，令傳統(tǒng)的漫畫、繪本等書籍有新的媒介和展示空間。同時，教師可以將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化依托于虛擬現(xiàn)實書籍進行展現(xiàn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)技術(shù)知識的同時受到傳統(tǒng)文化的熏陶。