基于Unity3D 技術的塔防游戲虛擬人物動作控制方法

張華振

（大連東軟信息學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

中國游戲產業飛速發展，電腦游戲與手機游戲的種類越來越豐富。大量調查數據顯示，大多數游戲玩家都是通過移動設備進入到游戲領域，對游戲虛擬人物動作控制的要求較高。在眾多電子游戲中，塔防游戲作為其中較為經典的休閑游戲類別，深受廣大游戲玩家的喜愛。塔防游戲通常由地圖、炮臺、敵人與游戲金幣四個部分組成。其中，地圖是塔防游戲中重要組成部分，通常情況下是敵人從出生點開始生成，根據游戲規定的路線，向終點不斷前進，在中途布設多處轉角，為游戲玩家提供建造炮臺的地方，多方位延長塔防游戲敵人抵達終點的時間，為游戲玩家提供充足的思考時間。在塔防游戲的設計中，虛擬人物的動作控制方法至關重要，能夠為玩家帶來良好的游戲體驗感。傳統的虛擬人物動作控制方法較為單一，在操作方面具有較大的局限性，無法準確進行人物動作控制。

Unity3D 技術在可視化編輯與動態預覽方面顯現出一定優勢，配備有種類豐富的綜合型開發工具，在塔防游戲虛擬人物動作控制中具有專業性。

為了進一步提高人物動作控制的準確度，本文提出了基于Unity3D 技術的塔防游戲虛擬人物動作控制方法。根據游戲虛擬人物的行走節奏及對應幀數，設計虛擬人物行走速度；采用Kinect 體感攝像頭，獲取人物的運動信息，識別人體動作特征；基于Unity3D 技術提取人物運動數據，并進行背景分離；采用Dead Reckoning 算法計算虛擬人物骨骼運動軌跡，預測人物下一步做出的動作，并進行相應控制。

1 基于Unity3D 技術的塔防游戲虛擬人物動作控制方法設計

1.1 虛擬人物行走設計

虛擬人物的行走是指通過克服重力與摩擦力向前行進，在前進中首先要保證虛擬人物的身體平衡，避免人物出現絆倒的情況。設計虛擬人物行走之前，先要獲取塔防游戲虛擬人物的角色個性。

本文將人物角色的個性進行了分類，主要分類4 類。第一類為人物手臂與相反的腿同時進行擺動，通過相反的擺動獲取行走的平衡以及行走的推動力；第二類為人物行走時身體向下，手臂呈最大幅度進行擺動，以此加快行走速度；第三類為人物身體上抬，行走的速度減慢；第四類為人物跨步過程中，腳尖與地面的距離小于1.25 cm，行走速度受抬腿幅度的影響。根據塔防游戲人物角色行走的特點，判斷人物行走的節奏，設置虛擬人物行走的步伐與步數。虛擬人物行走節奏對應的具體幀數，見表1。

表1 虛擬人物行走節奏與幀數Tab.1 Walking rhythm and frames of virtual characters

本文將塔防游戲虛擬人物的行走節奏設置為10 幀，行走速度約為2 步／s，處于較為輕快的行走狀態，此行走節奏便于控制調節。

1.2 基于Unity3D 技術提取運動數據

采用Unity3D 技術提取人物角色的運動數據。提取塔防游戲虛擬人物運動數據主要包括4 個部分：識別人體的動作特征、對虛擬人物的人體部位進行多方位的分類、識別不同虛擬人物的關節以及控制人物骨骼關節點運動的平滑程度。本文主要從識別虛擬人物人體的動作特征方面進行數據提取，采用Kinect 體感攝像頭，獲取人物的運動信息與深度信息。由于虛擬人物人體的動作特征與用戶的數據分割具有一定的關聯性，本文從塔防游戲的深度圖像著手，對信息進行背景分離，用于構建塔防游戲三維模型。

首先，規范化處理深度圖像的混合權重，設置虛擬人物行走循環與奔跑循環的權重分別為100%與95%，當采用Unity3D 技術進行規格化權重計算時，行走占據50%權重，奔跑占據45%權重。

其次，定義short 類型存儲塔防游戲深度圖像，建立緩沖區，獲取彩色圖像幀，記錄圖像幀的讀取速度，當讀取速度過快時，開啟圖像數據流，請求數據并設置等待時間。深度圖像中的其他數據采用Windows Kinect SDK 數據讀取方式，更新調用數據節點，保證所有節點均有新數據到達。

最后，采用USB 接口與計算機之間建立連接，控制數據傳輸的速度。

1.3 計算人物骨骼運動軌跡

基于虛擬人物運動數據，采用Dead Reckoning算法計算人物動作時人體骨骼的運動軌跡。首先，設置虛擬人物周圍物體的最大吸引力為，將周圍物體作為影響虛擬人物動作控制的外力，結合Unity3D 技術構建塔防游戲虛擬人物動作控制數學模型。設定在時刻，虛擬人物運動范圍內包括物體、、、、、，以上物體對虛擬人物角色的吸引力，即為虛擬人物動作控制在時刻時的影響力。

通過塔防游戲物體對虛擬人物的吸引力，結合人物運動的骨骼動作、行走節奏與幀數，計算人物骨骼運動軌跡。量化處理吸引力大小，控制吸引力方向與虛擬人物角色之間的夾角度數，保持在90°以內，此時，物體對人物動作控制的吸引力標記為A（，），獲取塔防游戲虛擬人物運動的速度與加速度，可通過如下公式計算得出：

其中， A（，）是函數B（，）經過量化處理演變而來的，是角色對角色吸引力的聚集；表示物體距離對吸引力影響的參數；表示聚集吸引力參數；表示人物運動加速度路徑參數；表示2 個物體之間的最優化路徑距離。

當虛擬人物動作控制吸收力逐步量化后，對吸引力的值A（，）進行優化處理，獲取塔防游戲虛擬人物運動骨骼預測公式見如下：

由于虛擬人物在每次動作捕捉過程中，做出的動作不一定都相同，在控制人物下一次動作類型時，依賴人物之前做出的動作進行預測，綜合考慮人物周圍物體對人物運動產生的吸引力影響，設塔防游戲虛擬人物做出的動作{()，∈}為隨機過程，表示動作控制其中的一個狀態過程，對于任意的≤≤≤t≤，任意的，，…，x，∈，則隨機變量（）在已知的變量()，，(t)＝x的條件分布函數中與(t)＝x有關聯，與()，，(t)＝x無關聯。

采用三維結構光技術構建人物動作控制視角的三維形象，結合Unity3D 技術模擬立體視覺功能，在虛擬人物小范圍運動內進行空間定位。添加動作控制腳本，輸入與動作的對應關系及動作事件，創建成功后，在虛擬人物編輯器中編寫空閑動作，設置動作片段與播放模式。設定虛擬人物肢體部位的Index對應值，根據控件傳遞的順序，旋轉虛擬人物肢體。分布函數滿足等式驗證塔防游戲虛擬人物下一步做出的動作，并進行相應的控制，全方位地提高了人物動作控制的精度。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

對本文設計的基于Unity3D 技術的塔防游戲虛擬人物動作控制方法的應用效果做出客觀分析。本次實驗選用二維RGB 相機與能夠實現視覺動作捕捉的三維深度相機，在分辨率等參數方面具有一定的區別。由于本次實驗需要在3D 世界對塔防游戲虛擬人物進行動作控制，采用二維相機能夠準確獲取目標人物信息，為動作控制起到了一定的輔助作用。

實驗選用Windows 7 和Windows 10 的集成系統，配置為Inteli3-1250 處理器、16 G 內存、32 位操作系統、NVIDIA GTX1050 16 G 顯卡。采用微軟公司的Kinect 設備，通過紅外發射器，捕捉人物的動作與姿勢變化，將接收到的信息構建到相機視野內的深度圖中，進一步獲取塔防游戲畫面中人物的3D動作模型。

在研究中，首先將游戲中的人物與背景相分離，基于Unity3D 技術分析人物的運動趨勢與各個身體部位的姿態變化，實現初步的動作捕捉；其次，設置Kinect 設備的運行范圍與捕捉目標數量，保證設備能夠在捕捉視角內獲取到目標數量的動作姿態，調節目標人物身體關節點的數量；最后，將二維相機與三維深度相機的拍攝視角進行調整，保證2 個相機在捕捉人物動作變化中，水平視角能夠達到75°，垂直視角能夠達到60°。應用本文方法連續動作背景分離捕捉圖例如圖1 所示。證明本文方法能夠有效將人物從游戲背景中分離出來，捕捉到人物每個關節點和動作姿態，用不同顏色的框線標注人物不同關節。

圖1 人物連續動作捕捉圖Fig.1 Continuous actions capture diagram of the figure

2.2 結果分析

假設本次實驗從第幀開始記錄，當虛擬人物進行動作捕捉時，獲取人物初始骨骼節點位置信息，通過動作控制預測算法，控制虛擬人物下一步動作時骨骼節點的大致位置信息。控制虛擬人物骨骼節點重合時，丟失重合的骨骼節點，并繼續運動。利用本文設計的塔防游戲虛擬人物動作控制方法，計算虛擬人物運動過程中，動作控制的誤差見表2。

表2 塔防游戲虛擬人物動作控制結果Tab.2 Action control results of tower defense game virtual characters %

根據表2 可知，本文設計的基于Unity3D 技術的塔防游戲虛擬人物動作控制方法，均取得了98%以上的控制準確率，人物動作的誤控率與漏控率較低，能夠有效地彌補虛擬人物自身骨骼節點在運動過程中的遮掩，實時掌握虛擬人物的運動情況。

3 結束語

本文在設計塔防游戲虛擬人物動作控制方法時，結合了Unity3D 技術，有效地改善了傳統動作控制方法的不足。針對虛擬人物動作的特點，設計了人物動作控制機理，全方位地提高了塔防游戲運行的流暢性，使游戲中的人物更加逼真，優化了游戲玩家的體驗感，具有重要的應用價值。然而，本文在塔防游戲的腳本建立方面研究尚淺，未來的研究應當不斷完善。