二維骨骼技術在虛擬現實教學中的應用與探索

肖淇元

（湖南大眾傳媒職業技術學院 視覺藝術學院，湖南 長沙 410100）

隨著現代社會發展和數字技術快速進步，根據二維平面素材的分層及相關骨骼鏈接圖像形成網格拉伸制作出藝術素材的骨骼技術也開始興起，并在相應市場中得到廣泛的運用。同時，虛擬現實技術迅速進入大眾視野，虛擬現實教學也因此快速發展，令教學逐漸變得信息化、智能化。靈活運用虛擬現實的特性，進行二維骨骼技術教學探索，有助于學生的個性化發展及全方位能力的提升。

一、虛擬現實技術及其優勢

2016 年被稱為是中國虛擬現實的“元年”，自此以后，虛擬現實技術日益受到全社會關注，并逐漸運用到在動畫、游戲等教學領域中。

（一）虛擬現實技術的概念

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

（二）虛擬現實教學的特點及優勢

傳統教學主要處于教室環境中，以教師和學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，但現實環境下每次進行試驗都要消耗材料，有些實驗操作不當還可能在課堂上造成危害。在虛擬現實空間中進行教學，可以重復模擬各種復雜實驗，如飛行、汽車駕駛、宇航員訓練等，可以隨時進行試驗和練習的重置和調整。這在一定程度上節省了材料和時間成本，更重要的是避免使用者受到傷害，以保證教學的安全進行。

利用虛擬現實技術進行動畫、游戲等教學時，一些概念性知識可以進行數字化模擬展示。例如在描述不同風格的藝術作品時，可以對整個虛擬教學環境和身處其中的教學人員虛擬形象進行調整，同步成相應的風格，以此增強學生對知識難點的理解。這種沉浸性、交互性教學有助于學生對于技術和知識的理解、練習。

二、二維骨骼技術及其應用需求

數字化技術的發展對拓寬了動畫和相關藝術創作的表達方式。自20 世紀90 年代開始，無紙繪畫軟件和三維數字化技術迅速發展，給二維動畫制作和相關藝術市場帶來巨大變革。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。在這樣的大環境下，二維骨骼技術不斷發展成熟，利用該技術所制作的動畫等相關藝術素材也廣泛應用到各個領域中。

（一）二維骨骼技術原理與優勢

二維骨骼技術通過相應軟件上的木偶工具或者骨骼工具，根據人體或者動物基本骨骼結構參考，建立虛擬的骨骼骨架，然后以此和進行相應分層的圖片素材建立起IK（Inverse Kinematics，反向運動）的骨骼關系“父子鏈”，［2］隨后賦予相應的參數，使其進行運動和調整。相較于傳統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格。隨著技術的發展，單張素材進行相應的分層處理后，可以運動展示的效果也變得多樣。

（二）二維骨骼技術的應用需求

二維骨骼技術在ACG 作品、虛擬形象建立、交互設置中有著非常大的市場，與骨骼綁定教學相關的課程也正符合目前市場的發展需求。

1.ACG 作品應用

二維骨骼技術在ACG（動畫、漫畫、游戲的合稱）產業中有著廣泛的運用。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中，會采用插圖進行相應分層，隨后進行二維骨骼綁定，加上后期轉場效果，新的動畫宣傳可以吸引流量。相對于傳統二維動畫制作，其周期大大縮短，并且很好地保留了原本圖像的畫風。而在游戲內的制作素材中，像《碧藍航線》《天命之子》等游戲的人物立繪都是利用LIVE2D 骨骼綁定技術制作動態，令游戲本身更具吸引力。在漫畫方面，現在的主流是在手機平臺上根據屏幕設計和閱讀習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上，進行簡單分層和骨骼綁定和動態調整，加上配音，以此制作有聲動態漫畫進行宣傳。

2.虛擬形象建立

虛擬主播是指通過面部捕捉技術和二維骨骼技術，以LIVE2D 軟件為主進行虛擬角色的綁定，以此做成虛擬形象，在相關視頻網站上進行活動的主播。國內一般會稱為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站YouTUbe 上，所以會被稱為VTB（Virtual YouTuber）。［3］從2016年到現在，虛擬主播從業人數從幾百人發展到萬人以上，虛擬主播公司逐漸成立并且規范化，甚至有大學已經專門成立了虛擬主播專業，可見產業發展之快。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.交互設置展示

近年來，文化創意產業日漸興起。以博物館為例，在進行文物、文化展示時，會加入現代化及輕量化的設計，在衍生品方面也朝更親民、更年輕化的趨勢進行設計。在現代各種藝術展覽中，利用二維骨骼技術所制作的與傳統文化相關的交互設置，會給觀眾留下深刻的印象，有利于觀眾更好地理解展覽內容。

三、二維骨骼技術在虛擬現實教學中的應用

虛擬現實技術的特性有助于二維骨骼技術教學。二維骨骼技術教學的難點在于骨骼概念的闡述及實際軟件的應用創作，通過虛擬現實教學可以幫助學生理解概念，也有助于他們進行后續項目的實踐。

（一）虛擬現實環境下的骨骼綁定課程教學

通過虛擬現實技術建立相應的虛擬現實教學空間或實驗室，相對于傳統的面對面教學，可以在一定程度上打破時間和空間的概念，令教學環境更具有沉浸性和交互性，令知識傳授更加有效。通過虛擬現實環境進行骨骼綁定教學時，教學的重點是利用虛擬現實空間，將骨骼綁定概念中的骨骼和真實的人體骨骼進行區分。以往教師進行骨骼綁定概念的講解時，有學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實教學空間，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實骨骼大幅度簡化而成的概念骨骼，采用虛擬現實空間中的模型對比進行相應解說，在很大程度上便于學生對于骨骼綁定理論的深入理解。

現在二維骨骼綁定主流方式是根據不同需求，在相應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；依托于AE 本身及相關插件，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，前者傾向于復雜立繪的動態交互和臉部捕捉，后者則傾向于模型在游戲中整體動態交互。不論是哪種軟件平臺，都依托于虛擬骨骼這個概念。因此運用虛擬現實教學環境進行二維骨骼綁定教學，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造等方面的差異性。

虛擬現實教學拓寬了二維骨骼技術教學的展現方式和展現空間，可以讓學生在學習理論知識的同時進行更全面的實踐操作，同時能夠完善相關的虛擬現實資源庫及圖書館等虛擬現實空間。

（二）虛擬形象設計綁定

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。就二維骨骼技術來說，依托于LIVE2D 綁定及面部捕捉技術的成熟，使用者可以運用它迅速設計虛擬形象。直接根據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，以此取得相應的流量后再進行進一步的拓展。隨著虛擬現實技術的進步，虛擬主播的線上直播及LIVE 演唱也帶來很高關注度。

在教學方面，教師和學生都可以依據自己的需求運用二維骨骼技術進行操作練習，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中后，靈活制作、綁定虛擬形象是教學中的重點和難點之一。學生通過實踐完成屬于自己的虛擬形象后，教師可以建立相應的虛擬教學空間，進行程序的導入，讓學生在虛擬現實教學中進行面部捕捉，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格化模型中獲得成就感。

（三）虛擬現實環境中的風格化展現

虛擬現實以三維環境為主，但隨著時代的進步，除了單純追求真實質感之外，也開始出現風格化的渲染和展示。二維骨骼技術制作出的動畫，在虛擬現實環境中能夠以序列幀的方式導入。在虛擬現實環境的建設中，虛擬現實舞臺、教室等環境，或者是相應的虛擬空間內的流程引導，都能運用二維骨骼技術所做出的動畫作為風格化展示，并進行交互。

虛擬現實教學具有非常強的交互性，使用者可以與虛擬環境進行交互，也能與其他參與者進行交互。在虛擬現實教學中，學生做好相應的骨骼綁定動畫后，使用虛擬現實空間進行相應的設計和預覽，以此進行技術練習和實時反饋。這樣能鍛煉學生的技術能力，也可以增強學生的審美能力和適應能力。在實際課堂中進行一定的實踐后，學生可以在部分風格化舞臺中進行初步渲染展示。相較于傳統教學，這更能激發學生的學習興趣與實踐興趣。

（四）虛擬現實書籍

虛擬現實在廣義上包含增強現實（Augmented Reality） 和混合現實（Mixed Reality）。在虛擬現實空間內可以直接依托空間進行知識交互，而在現實世界中，依托各類數字化工具也能有不同的展示方式。VR/AR 藝術的概念不斷興起，影響到相關媒介的展現。插畫師Jarom Vogel 依托相關軟件將所繪制的圖片映射在相應背景上，以三維空間的方式進行呈現（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，進行簡易二維動畫序列幀導出后，在虛擬現實空間中進行展示。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生成簡易動畫，并在虛擬現實空間中展現出獨特效果。

圖 Jarom Vogel AR 教程

隨著時代的發展，技術操作變得更為輕量化。利用二維骨骼技術和虛擬現實技術的結合，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，通過引導轉場加入劇情，利用AR/VR 數字化工具作為空間載體，令傳統的漫畫、繪本等書籍有新的媒介和展示空間。同時，教師可以將中華優秀傳統文化依托于虛擬現實書籍進行展現，使學生在學習技術知識的同時受到傳統文化的熏陶。