基于Unity3D 技术的塔防游戏虚拟人物动作控制方法

张华振

（大连东软信息学院，辽宁 大连 116023）

0 引言

中国游戏产业飞速发展，电脑游戏与手机游戏的种类越来越丰富。大量调查数据显示，大多数游戏玩家都是通过移动设备进入到游戏领域，对游戏虚拟人物动作控制的要求较高。在众多电子游戏中，塔防游戏作为其中较为经典的休闲游戏类别，深受广大游戏玩家的喜爱。塔防游戏通常由地图、炮台、敌人与游戏金币四个部分组成。其中，地图是塔防游戏中重要组成部分，通常情况下是敌人从出生点开始生成，根据游戏规定的路线，向终点不断前进，在中途布设多处转角，为游戏玩家提供建造炮台的地方，多方位延长塔防游戏敌人抵达终点的时间，为游戏玩家提供充足的思考时间。在塔防游戏的设计中，虚拟人物的动作控制方法至关重要，能够为玩家带来良好的游戏体验感。传统的虚拟人物动作控制方法较为单一，在操作方面具有较大的局限性，无法准确进行人物动作控制。

Unity3D 技术在可视化编辑与动态预览方面显现出一定优势，配备有种类丰富的综合型开发工具，在塔防游戏虚拟人物动作控制中具有专业性。

为了进一步提高人物动作控制的准确度，本文提出了基于Unity3D 技术的塔防游戏虚拟人物动作控制方法。根据游戏虚拟人物的行走节奏及对应帧数，设计虚拟人物行走速度；采用Kinect 体感摄像头，获取人物的运动信息，识别人体动作特征；基于Unity3D 技术提取人物运动数据，并进行背景分离；采用Dead Reckoning 算法计算虚拟人物骨骼运动轨迹，预测人物下一步做出的动作，并进行相应控制。

1 基于Unity3D 技术的塔防游戏虚拟人物动作控制方法设计

1.1 虚拟人物行走设计

虚拟人物的行走是指通过克服重力与摩擦力向前行进，在前进中首先要保证虚拟人物的身体平衡，避免人物出现绊倒的情况。设计虚拟人物行走之前，先要获取塔防游戏虚拟人物的角色个性。

本文将人物角色的个性进行了分类，主要分类4 类。第一类为人物手臂与相反的腿同时进行摆动，通过相反的摆动获取行走的平衡以及行走的推动力；第二类为人物行走时身体向下，手臂呈最大幅度进行摆动，以此加快行走速度；第三类为人物身体上抬，行走的速度减慢；第四类为人物跨步过程中，脚尖与地面的距离小于1.25 cm，行走速度受抬腿幅度的影响。根据塔防游戏人物角色行走的特点，判断人物行走的节奏，设置虚拟人物行走的步伐与步数。虚拟人物行走节奏对应的具体帧数，见表1。

表1 虚拟人物行走节奏与帧数Tab.1 Walking rhythm and frames of virtual characters

本文将塔防游戏虚拟人物的行走节奏设置为10 帧，行走速度约为2 步／s，处于较为轻快的行走状态，此行走节奏便于控制调节。

1.2 基于Unity3D 技术提取运动数据

采用Unity3D 技术提取人物角色的运动数据。提取塔防游戏虚拟人物运动数据主要包括4 个部分：识别人体的动作特征、对虚拟人物的人体部位进行多方位的分类、识别不同虚拟人物的关节以及控制人物骨骼关节点运动的平滑程度。本文主要从识别虚拟人物人体的动作特征方面进行数据提取，采用Kinect 体感摄像头，获取人物的运动信息与深度信息。由于虚拟人物人体的动作特征与用户的数据分割具有一定的关联性，本文从塔防游戏的深度图像着手，对信息进行背景分离，用于构建塔防游戏三维模型。

首先，规范化处理深度图像的混合权重，设置虚拟人物行走循环与奔跑循环的权重分别为100%与95%，当采用Unity3D 技术进行规格化权重计算时，行走占据50%权重，奔跑占据45%权重。

其次，定义short 类型存储塔防游戏深度图像，建立缓冲区，获取彩色图像帧，记录图像帧的读取速度，当读取速度过快时，开启图像数据流，请求数据并设置等待时间。深度图像中的其他数据采用Windows Kinect SDK 数据读取方式，更新调用数据节点，保证所有节点均有新数据到达。

最后，采用USB 接口与计算机之间建立连接，控制数据传输的速度。

1.3 计算人物骨骼运动轨迹

基于虚拟人物运动数据，采用Dead Reckoning算法计算人物动作时人体骨骼的运动轨迹。首先，设置虚拟人物周围物体的最大吸引力为，将周围物体作为影响虚拟人物动作控制的外力，结合Unity3D 技术构建塔防游戏虚拟人物动作控制数学模型。设定在时刻，虚拟人物运动范围内包括物体、、、、、，以上物体对虚拟人物角色的吸引力，即为虚拟人物动作控制在时刻时的影响力。

通过塔防游戏物体对虚拟人物的吸引力，结合人物运动的骨骼动作、行走节奏与帧数，计算人物骨骼运动轨迹。量化处理吸引力大小，控制吸引力方向与虚拟人物角色之间的夹角度数，保持在90°以内，此时，物体对人物动作控制的吸引力标记为A（，），获取塔防游戏虚拟人物运动的速度与加速度，可通过如下公式计算得出：

其中， A（，）是函数B（，）经过量化处理演变而来的，是角色对角色吸引力的聚集；表示物体距离对吸引力影响的参数；表示聚集吸引力参数；表示人物运动加速度路径参数；表示2 个物体之间的最优化路径距离。

当虚拟人物动作控制吸收力逐步量化后，对吸引力的值A（，）进行优化处理，获取塔防游戏虚拟人物运动骨骼预测公式见如下：

由于虚拟人物在每次动作捕捉过程中，做出的动作不一定都相同，在控制人物下一次动作类型时，依赖人物之前做出的动作进行预测，综合考虑人物周围物体对人物运动产生的吸引力影响，设塔防游戏虚拟人物做出的动作{()，∈}为随机过程，表示动作控制其中的一个状态过程，对于任意的≤≤≤t≤，任意的，，…，x，∈，则随机变量（）在已知的变量()，，(t)＝x的条件分布函数中与(t)＝x有关联，与()，，(t)＝x无关联。

采用三维结构光技术构建人物动作控制视角的三维形象，结合Unity3D 技术模拟立体视觉功能，在虚拟人物小范围运动内进行空间定位。添加动作控制脚本，输入与动作的对应关系及动作事件，创建成功后，在虚拟人物编辑器中编写空闲动作，设置动作片段与播放模式。设定虚拟人物肢体部位的Index对应值，根据控件传递的顺序，旋转虚拟人物肢体。分布函数满足等式验证塔防游戏虚拟人物下一步做出的动作，并进行相应的控制，全方位地提高了人物动作控制的精度。

2 实验分析

2.1 实验准备

对本文设计的基于Unity3D 技术的塔防游戏虚拟人物动作控制方法的应用效果做出客观分析。本次实验选用二维RGB 相机与能够实现视觉动作捕捉的三维深度相机，在分辨率等参数方面具有一定的区别。由于本次实验需要在3D 世界对塔防游戏虚拟人物进行动作控制，采用二维相机能够准确获取目标人物信息，为动作控制起到了一定的辅助作用。

实验选用Windows 7 和Windows 10 的集成系统，配置为Inteli3-1250 处理器、16 G 内存、32 位操作系统、NVIDIA GTX1050 16 G 显卡。采用微软公司的Kinect 设备，通过红外发射器，捕捉人物的动作与姿势变化，将接收到的信息构建到相机视野内的深度图中，进一步获取塔防游戏画面中人物的3D动作模型。

在研究中，首先将游戏中的人物与背景相分离，基于Unity3D 技术分析人物的运动趋势与各个身体部位的姿态变化，实现初步的动作捕捉；其次，设置Kinect 设备的运行范围与捕捉目标数量，保证设备能够在捕捉视角内获取到目标数量的动作姿态，调节目标人物身体关节点的数量；最后，将二维相机与三维深度相机的拍摄视角进行调整，保证2 个相机在捕捉人物动作变化中，水平视角能够达到75°，垂直视角能够达到60°。应用本文方法连续动作背景分离捕捉图例如图1 所示。证明本文方法能够有效将人物从游戏背景中分离出来，捕捉到人物每个关节点和动作姿态，用不同颜色的框线标注人物不同关节。

图1 人物连续动作捕捉图Fig.1 Continuous actions capture diagram of the figure

2.2 结果分析

假设本次实验从第帧开始记录，当虚拟人物进行动作捕捉时，获取人物初始骨骼节点位置信息，通过动作控制预测算法，控制虚拟人物下一步动作时骨骼节点的大致位置信息。控制虚拟人物骨骼节点重合时，丢失重合的骨骼节点，并继续运动。利用本文设计的塔防游戏虚拟人物动作控制方法，计算虚拟人物运动过程中，动作控制的误差见表2。

表2 塔防游戏虚拟人物动作控制结果Tab.2 Action control results of tower defense game virtual characters %

根据表2 可知，本文设计的基于Unity3D 技术的塔防游戏虚拟人物动作控制方法，均取得了98%以上的控制准确率，人物动作的误控率与漏控率较低，能够有效地弥补虚拟人物自身骨骼节点在运动过程中的遮掩，实时掌握虚拟人物的运动情况。

3 结束语

本文在设计塔防游戏虚拟人物动作控制方法时，结合了Unity3D 技术，有效地改善了传统动作控制方法的不足。针对虚拟人物动作的特点，设计了人物动作控制机理，全方位地提高了塔防游戏运行的流畅性，使游戏中的人物更加逼真，优化了游戏玩家的体验感，具有重要的应用价值。然而，本文在塔防游戏的脚本建立方面研究尚浅，未来的研究应当不断完善。