基于Unity3D的FPS教育游戲研究與設(shè)計(jì)

王龍任步春趙宸立

摘 要：教育游戲是利用游戲手段進(jìn)行知識(shí)傳授及具有教育功能的電腦游戲軟件。當(dāng)前，3D技術(shù)發(fā)展迅猛，多樣化、生動(dòng)豐富的3D教育游戲已成為輔助教育的重要工具。基于Unity3D游戲引擎，對教育游戲進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一款FPS類的政治教育游戲，運(yùn)用三維建模技術(shù)構(gòu)建場景、可視化技術(shù)以及Javascript腳本語言完成了知識(shí)問答、裝備選擇、戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建、邏輯運(yùn)算等功能。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：Unity3D；教育游戲；有限狀態(tài)機(jī)；模糊狀態(tài)設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)庫

DOIDOI：10.11907/rjdk.162005

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011007903

0 引言

教育游戲是利用游戲手段進(jìn)行知識(shí)傳授的具有教育功能的電腦游戲軟件[13]。區(qū)別于單純的娛樂游戲，教育游戲主要是為游戲者在游戲的整個(gè)過程中提供教育功能。傳統(tǒng)的政治教育大都采用講授、視頻演示的形式，教育方式單一、被動(dòng)、不夠靈活，教育效果受限。此外，教育游戲多集中在自然科學(xué)類的課程中，社科類課程鮮有涉及。因此，研究一款用于社科教育的教育游戲，對其教育手段的拓展具有重要意義。

目前，關(guān)于教育游戲的游戲形式研究主要包括以下幾個(gè)方面：①二維的平面益智類游戲，鍛煉學(xué)員的數(shù)理能力；②戶外游戲，一般用作心理疏導(dǎo)與心理教育；③運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)制作的三維游戲，大多是高新技術(shù)的體驗(yàn)教育，是游戲教育努力尋找的突破點(diǎn)[2]。3D游戲有很多種類，根據(jù)角色視角，一般分為第一人稱視角游戲與第三人稱視角游戲，第一人稱游戲（FPS）是眾多3D游戲?qū)崿F(xiàn)難度最大的游戲，也是與用戶交互最多、沉浸感最強(qiáng)、形式最豐富的游戲。采用FPS游戲?qū)τ诩訌?qiáng)教育的趣味性、豐富教育手段的可能性都大有裨益。

Unity3D是由丹麥Unity Technologies公司開發(fā)的一款專業(yè)游戲引擎，具有高度優(yōu)化的圖形渲染管道和內(nèi)建的NVIDIA PhysX物理引擎，能較真實(shí)地模擬三維空間下物體的運(yùn)動(dòng)和碰撞，并通過GUI、粒子系統(tǒng)、聲效等輔助手段給用戶以反饋，用來快速制作三維視頻、游戲、建筑可視化、信息可視化等互動(dòng)內(nèi)容[45]。本文將基于Unity3D這一游戲引擎，采用具有更豐富的、更生動(dòng)的第一人稱視角游戲形式，構(gòu)建一款社科類教育游戲。

1 游戲規(guī)則與關(guān)卡設(shè)計(jì)

第一人稱視角游戲最為成熟的作品即《Control Strike》，是較早出現(xiàn)的一種游戲，游戲形式也最為典型。其形式是敵我雙方戰(zhàn)士在一個(gè)特定的地理環(huán)境下進(jìn)行槍戰(zhàn)，游戲中有豐富的槍支，如：95自動(dòng)步槍、AK-47等，對戰(zhàn)過程中需要對彈藥進(jìn)行補(bǔ)給，通過擊斃對方取得勝利。這類游戲規(guī)則典型、學(xué)生上手快，能夠?qū)⒕性诮逃R(shí)的設(shè)計(jì)上，如果能與政治教育很好地結(jié)合起來則能夠達(dá)到事半功倍的效果，這也是人們采用該游戲規(guī)則的緣由所在。

政治教育的核心組成部分是愛國教育，愛國是中華民族的傳統(tǒng)美德。目前，敵對勢力依然對我國領(lǐng)土虎視眈眈。因此，選定保衛(wèi)島嶼作為教育游戲的主題背景，既符合政治教育內(nèi)容的需要，也更符合時(shí)政熱點(diǎn)的聚焦，易被學(xué)生接受。

本文設(shè)計(jì)是選定在某一島嶼上，將學(xué)生假想為保衛(wèi)該島嶼的戰(zhàn)士，通過答題的方式積累自己的教育經(jīng)驗(yàn)值，教育經(jīng)驗(yàn)值作為槍支與補(bǔ)給彈藥的交易條件。這樣不僅有利于學(xué)生對島嶼地理環(huán)境的了解，以及槍支彈藥相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且在游戲過程中將政治教育學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)值作為自己的武裝儲(chǔ)備，更為重要的是在對戰(zhàn)中深化了保衛(wèi)島嶼的愛國情懷。

具體環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖1所示 ，即為：開始-知識(shí)問答（或知識(shí)庫學(xué)習(xí)）-答題獲取知識(shí)幣-主裝備選擇（購買槍支）-副裝備選擇（購買彈藥）-進(jìn)入保衛(wèi)戰(zhàn)場-對戰(zhàn)-勝利（獲得榮譽(yù)勛章）。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 游戲場景構(gòu)建

游戲場景是影響FPS類游戲十分重要的組成部分。好的游戲效果不僅僅在邏輯上環(huán)環(huán)相扣，在場景上也是栩栩如生，使用戶有身臨其境的感覺。游戲場景根據(jù)目前的場景構(gòu)建，主要包括地形環(huán)境、天空盒、植被、地物、河流等。

地形環(huán)境能夠給用戶情景認(rèn)識(shí)最真切的感受，只有地形相似才能更好讓用戶融入到角色中。為了創(chuàng)建真實(shí)的島嶼地理環(huán)境，采用了1：50 000的遙感影像數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)，通過地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，轉(zhuǎn)成Unity3D支持的文件格式。盡管1：50 000的地形數(shù)據(jù)精度已經(jīng)非常高，但對于刻畫大比例尺的近景虛擬環(huán)境，遙感影像的分辨率還是比較模糊。Unity3D提供了Terrian工具，該工具支持紋理材質(zhì)的疊加，為此，根據(jù)視覺需要疊加一部分人為設(shè)計(jì)的紋理，通過混合紋理處理，圖像既富有一定的真實(shí)感，又能符合場景分辨率的需要，場景示例如圖2所示。

對于環(huán)境細(xì)節(jié)刻畫方面，在了解島嶼環(huán)境的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Unity3D提供的粒子系統(tǒng)工具，如：爆炸效果、火焰效果、水流等構(gòu)建環(huán)境的細(xì)節(jié)，將島上的植被、水文等地物外貌復(fù)原，據(jù)此來刻畫島嶼的地形模型。為了提高游戲的體驗(yàn)和豐富性，在地形上添加一些人為的障礙物，如一些箱子、油桶等障礙物，如圖3所示。

2.2 基于FSM與FuSM的人工智能設(shè)計(jì)

在大多數(shù)主流游戲中，NPC（Non-Player Character，即非玩家角色）是人工智能的主要應(yīng)用對象。人工智能的實(shí)現(xiàn)是游戲設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，包括規(guī)則對象、規(guī)則時(shí)間以及響應(yīng)規(guī)則。NPC在游戲中如何獲得分析、判斷能力，對于游戲主控者作出的相應(yīng)行為能力等都是人工智能研究的問題。

主流游戲中的人工智能設(shè)計(jì)普遍都采用了兩種技術(shù)，即有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine，F(xiàn)SM）和模糊狀態(tài)設(shè)計(jì)（Fuzzy State Machine，F(xiàn)uSM）。FSM是包含一組狀態(tài)集（states）、一個(gè)騎士狀態(tài)（start state）、一組輸入符號集（alphabet）、一個(gè)映射輸入符號和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)（transition function）的計(jì)算模型。這樣，游戲開發(fā)人員通過FSM可以很清楚地把握NPC的行為，一旦知道NPC當(dāng)前的狀態(tài)和輸入，就可以準(zhǔn)確地作出反應(yīng)行為[67]。

但是，游戲中的FSM非常復(fù)雜，在實(shí)際編程中要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的FSM，通常寫一個(gè)通用的FSM類，然后根據(jù)不同的外部數(shù)據(jù)決定NPC的不同行為。FSM所建立的是一種確定的行為系統(tǒng)，因而此技術(shù)設(shè)計(jì)下的NPC決策速度比較快。但是，使用FSM也有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：過于城市化。

FuSM的基本思想就是在FSM的基礎(chǔ)上引入不確定性。在FuSM中，目標(biāo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由概率決定，即有輸入和NPC的當(dāng)前狀態(tài)，并不能確定下一個(gè)狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)方法，就是設(shè)計(jì)一些簡單的FSM，然后通過設(shè)定不同的海陸，從而產(chǎn)生行為各異的NPC。通過修改概率設(shè)定來控制NPC行為的改變。

2.3 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)是程序的基礎(chǔ)、系統(tǒng)的基石，游戲系統(tǒng)的一切操作都是在數(shù)據(jù)上進(jìn)行。對于本教育游戲系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)主要包括場景模型數(shù)據(jù)、角色模型數(shù)據(jù)等系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)，以及具備知識(shí)普及和傳遞的智庫數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)的智庫數(shù)據(jù)有兩個(gè)部分：一是武器彈藥型號數(shù)據(jù)，二是關(guān)于政治教育知識(shí)題庫數(shù)據(jù)。武器彈藥型號數(shù)據(jù)包括名稱、型號、尺寸、制作時(shí)間、圖片等。

題庫設(shè)計(jì)要求有一個(gè)靈活的接口，這樣可以依據(jù)不同時(shí)政知識(shí)的需求來加載不同的內(nèi)容。這部分?jǐn)?shù)據(jù)是相關(guān)知識(shí)題型，按照文件內(nèi)容要求加載即可，使得系統(tǒng)具有很好的兼容性。主要的數(shù)據(jù)類型為：題號、題干、選項(xiàng)、題型等。

3 游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 游戲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教育游戲FPS系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)引擎、功能模塊、界面等方面的構(gòu)建。數(shù)據(jù)庫主要有地形數(shù)據(jù)、環(huán)境音效數(shù)據(jù)等功能模塊是在游戲規(guī)則與關(guān)卡設(shè)計(jì)的引領(lǐng)下，基于Unity3D將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照邏輯設(shè)計(jì)算法組織成相應(yīng)的模塊，從而構(gòu)建起符合設(shè)計(jì)的功能；界面是游戲與用戶交互的窗口，直接影響游戲效果。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

本文的教育游戲系統(tǒng)效果如圖5—圖8所示。圖5是系統(tǒng)答題畫面以選擇題作為試用題型；圖6是裝備選擇畫面，能夠獲取到準(zhǔn)確的武器裝備信息；圖7是FPS游戲?qū)?zhàn)實(shí)時(shí)狙擊畫面；圖8是游戲中彈藥爆炸的粒子效果場景畫面。

4 結(jié)語

本文簡述了社科類課程的教育現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前各種教育游戲方法的特點(diǎn)，基于現(xiàn)有的游戲引擎Unity3D，根據(jù)政治教育的目標(biāo)與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款適用于政治教育類的FPS教育游戲。采用真實(shí)的1：50 000地形數(shù)據(jù)以及Unity3D中的Terrain工具，模擬了真實(shí)感強(qiáng)的大比例尺地理環(huán)境，并在場景中運(yùn)用音效、粒子系統(tǒng)等手段豐富環(huán)境。針對教育游戲中的NPC采用了FSM與FuSM結(jié)合的方法，構(gòu)建了靈活的人工智能提升了教育游戲的智能化。游戲集成了知識(shí)智庫模塊，通過游戲過程需求的牽引普及并傳遞了政治教育的相關(guān)知識(shí)，完成了一定的教育目標(biāo)，是社科類課程教育游戲的一次嘗試。同時(shí)，該游戲在場景模擬、知識(shí)與游戲的有機(jī)結(jié)合等方面還存在許多問題，需進(jìn)一步研究改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張文蘭，張俊生.教育游戲的本質(zhì)與價(jià)值審思——從游戲視角看教育與游戲的結(jié)合[J].開放教育研究，2007，13（5）：6468.

[2] AMORY A.Building an educational adventure game：theory，design and lessons[J].Journal of Interactive Learning Research，2001，129（2/3）：249264.

[3] 焦樹國，王闖.教育游戲理論與開發(fā)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6（12）：29642965.

[4] 宣雨松.Unity 3D游戲開發(fā)[D].北京：人民郵電出版社，2012.

[5] 王樹斌.淺析Unity3D開發(fā)游戲流程及常用技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（8）：53515352.

[6] 何國輝，陳家琪.游戲開發(fā)中智能路徑搜索的算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（13）：23342337.

[7] ZHANG XINYU，YOUNG J K.Simple culling methods for continuous collision detection of deforming triangles[J].IEEE transactions on visualization and computer graphics，2012，18（7）：11461155.

（責(zé)任編輯：孫 娟）