数字教育游戏与3D魔杖表面设计新探索

### 数字教育游戏与3D魔杖表面设计新探索 #### 1 数字教育游戏成本降低与创新设计 在数字教育游戏（DEGs）领域，降低成本并提高个性化和适应性是使其成为主流教育技术的关键目标。传统上，开发DEGs需要构建所有可能的学习场景，这无疑增加了成本和开发难度。而现在有一种新的方法，它无需像传统那样开发所有可能的学习场景，而是开发一个资产池，其中包含基本环境、对象、角色、句子等。基于此，底层的智能技术能够根据给定的资产自主构建游戏。 这种方法的优势显著，它结合了作者驱动的全局上下文脚本编写（包括教育者驱动的学习设计）以及新兴游戏设计方法的自由度和成本效益，形成了一种混合模型。不过，目前这些想法和技术实现尚处于早期阶段。在欧洲研究项目80Days中，当前正聚焦于一个自主且智能的非玩家角色（NPC），它将在竞争性DEG中充当教师角色。这个角色能感知游戏和学习进度，并根据这些需求调整自身行为，其行为脚本并非预先编写，而是在与学习者的互动中自然产生。但现阶段，整体故事的可变性存在明显局限。 #### 2 3D魔杖在表面设计中的应用背景 在表面设计中，为了更有效地进行模型草图绘制，已经开发了许多有形的魔杖和相关软件。在硬件方面，触觉设备能为用户提供带有力反馈的3D交互，减少因对深度线索认知错误导致的深度位置输入误差。而且，与用户在2D平面上绘图时使用的输入设备形状相似的设备，能让用户更轻松地理解和适应空间草图系统中的新设备。在软件方面，显示中的魔杖形状可以根据需要进行改变。例如，BLUI有一个球形魔杖，通过在空间中移动魔杖可以创建挤出表面；像Teddy和FiberMesh这样的基于草图的3D建模系统，能让用户通过对轮廓描述的区域进行膨胀来创建3D模型。 然而，当需要通过复杂的菜单系统来改变魔杖风格时，设计师的思路会被打断。因此，提出了一种基于魔杖姿势改变魔杖笔刷风格的更直观方法。该研究使用3D输入设备，让设计师能在空间草图系统中直观地进行草图绘制，就像在2D平面上绘图一样，通过重复输入笔触来进行绘制和变形。但由于绘制的曲线和表面会重叠，需要绘图和合并算法来处理大量数据。系统直接根据不同魔杖笔刷的路径生成模型，绘图空间包含预定义的网格，内部顶点可移动，类似于Marching Cubes算法。 #### 3 3D魔杖的不同笔刷类型及操作 草图系统根据设计师要构建的模型，提供了几种不同类型的笔刷，用于绘制不同形式的几何图形，如曲线和表面。通过两个带有三个红外反射标记的红外摄像头获取魔杖的位置和姿势，根据一系列位置数据可以计算出移动魔杖的速度和加速度，还能根据以下公式计算魔杖的曲率（$wκ$）和扭转（$wτ$）： \[ \begin{align*} wκ&=\frac{||r'(t) \times r''(t)||}{||r'(t)||^3}\\ wτ&=\frac{(r'(t) \times r''(t)) \cdot r'''(t)}{||r'(t) \times r''(t)||^2} \end{align*} \] 基于这些属性和笔刷变化规则