虛擬導(dǎo)游的行為模型研究

羅月童， 孫 靜， 陳 韜

（合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院VCC研究室，安徽 合肥 230009）

隨著旅游業(yè)的發(fā)展，虛擬旅游也越來越受重視，虛擬現(xiàn)實等計算機技術(shù)的發(fā)展更進一步推動了虛擬旅游業(yè)的進步，如日本開發(fā)了虛擬東京，美國利用VR技術(shù)再現(xiàn)古羅馬的Trajan廣場，國內(nèi)浙江大學(xué)開發(fā)的數(shù)字故宮、數(shù)字敦煌等[1]。但現(xiàn)有的多數(shù)虛擬旅游系統(tǒng)僅包含景色、建筑等視景信息[2]，缺少導(dǎo)游、游客、居民等生命體，而“一個出色的導(dǎo)游帶來一次成功的旅游活動”、“祖國江山美不美，全憑導(dǎo)游一張嘴”等說法體現(xiàn)了導(dǎo)游在旅游活動中的重要地位，所以在虛擬旅游環(huán)境中加入虛擬導(dǎo)游[3]必能提高虛擬旅游系統(tǒng)的真實性和趣味性，從而推動虛擬旅游技術(shù)的發(fā)展。

虛擬導(dǎo)游是虛擬人[4]的一個特例，虛擬人的研究包括虛擬人幾何建模、虛擬人運動控制及行為建模[5]三個方面，其中虛擬人的幾何建模技術(shù)[6]和運動控制技術(shù)[7]已經(jīng)比較成熟，《最終幻想》、《黑客帝國》、《青娜》、《指環(huán)王II》等動畫電影就是力證。但關(guān)于通用行為模型的研究尚處于起步階段[4]，這主要是因為人類行為本身非常復(fù)雜。

本文通過引入領(lǐng)域知識，發(fā)展針對虛擬導(dǎo)游的專用行為模型，從而降低了問題的難度，但同時又能滿足發(fā)展智能虛擬導(dǎo)游的需求。本文提出如圖1所示的專用行為模型——基于領(lǐng)域知識的行為模型，該行為模型包括感知器、領(lǐng)域知識庫和決策推理器。

圖1 基于領(lǐng)域知識的行為模型

1 感知器

行為模型的本質(zhì)就是感知外界信息并做出反應(yīng)——輸出合適的行為，所以感知外界信息是行為模型的重要組成部分。在真實世界中，人類的感知包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺等，但研究表明人類獲取的環(huán)境信息80%來源于視覺，在旅游中通過視覺獲取的信息就更多，所以本文僅考慮視覺感知。虛擬視覺模型一般分為兩類：基于渲染的視覺模型和基于數(shù)據(jù)庫查詢的視覺模型。和基于渲染的視覺模型相比，基于數(shù)據(jù)庫查詢的視覺模型具有速度快、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，所以本文以基于數(shù)據(jù)庫查詢的視覺模型為基礎(chǔ)，發(fā)展虛擬導(dǎo)游的感知器。

導(dǎo)游的職責是帶領(lǐng)游客在景區(qū)游覽并對著名景點進行解說，所以虛擬導(dǎo)游的感知器要能夠感知虛擬場景中的景點并獲取景點的信息。在加入虛擬導(dǎo)游、虛擬游客的智能虛擬旅游場景中，虛擬導(dǎo)游除了能夠感知景點等靜態(tài)對象，還應(yīng)該能夠感知游客和導(dǎo)游等運動對象，從而做出避讓等動作以避免不同對象之間發(fā)生碰撞。

為了方便虛擬導(dǎo)游感知景點及其他導(dǎo)游，本文提出語義虛擬旅游場景的概念，在虛擬旅游場景中添加語義信息——為景點、虛擬導(dǎo)游、虛擬游客等對象附加以下信息：

· 語義信息 記錄與該景點相關(guān)的信息，如解說詞、解說該景點時虛擬導(dǎo)游的動作特點。

· 感知觸發(fā)點 因為景點通常比較大，不便于感知器進行檢測，所以需要選擇一個具有代表性的“點”來表示景點以便于檢測，稱這個點為“感知觸發(fā)點”。

· 感知優(yōu)先級 在景點比較密集時，可能有多個景點或人物同時進入感知區(qū)域，通過設(shè)置感知優(yōu)先級來解決這種沖突。

將上述信息保存到數(shù)據(jù)庫中，形成虛擬旅游場景語義數(shù)據(jù)庫，虛擬導(dǎo)游通過查詢該語義數(shù)據(jù)庫完成對場景的感知。如圖2中，設(shè)置虛擬導(dǎo)游半徑為d的外包球，實時檢測場景中有哪些感知觸發(fā)點位于虛擬導(dǎo)游外包球內(nèi)，再根據(jù)其感知優(yōu)先級決定虛擬導(dǎo)游將感知到哪一個對象，圖2中景點A、景點B感知觸發(fā)點均位于虛擬導(dǎo)游外包球內(nèi)，景點A感知優(yōu)先級低于景點B，那么虛擬導(dǎo)游將感知到景點B，進而對B進行解說及觸發(fā)一系列動作。

2 領(lǐng)域知識

虛擬導(dǎo)游的行為主要取決于兩個方面的因素：一是感知器從虛擬場景中所獲取的信息，二是導(dǎo)游這一特定群體的行為特點。本文以領(lǐng)域知識——導(dǎo)游行為規(guī)則描述導(dǎo)游的行為特點。

導(dǎo)游行為規(guī)則庫中的規(guī)則指明了規(guī)則的激活條件、規(guī)則的觸發(fā)結(jié)果及目標轉(zhuǎn)移類型。規(guī)則并不是孤立存在的，而是一定行為目標下所遵循的規(guī)則，不同行為下的規(guī)則也是不同的，如導(dǎo)航行為下的規(guī)則與休息行為下的規(guī)則是不同的。本文提出“目標－規(guī)則”的概念，目標即為一定行為下導(dǎo)游的目的，也可以說是一種行為下導(dǎo)游所處的狀態(tài)，規(guī)則為該狀態(tài)下導(dǎo)游遵循的狀態(tài)轉(zhuǎn)移原則，感知模型的感知結(jié)果或突發(fā)事件為規(guī)則提供了激活條件，而規(guī)則的觸發(fā)結(jié)果則決定了導(dǎo)游的下一步行為，也既為決策器的決策結(jié)果；GOTO與GOSUB兩種目標轉(zhuǎn)移類型是為了實現(xiàn)目標的嵌套而設(shè)定的兩種不同的行為轉(zhuǎn)移方式，如導(dǎo)航行為下遇到知名景點時導(dǎo)游狀態(tài)由導(dǎo)航變?yōu)閷包c的解說，但此時導(dǎo)航并沒有結(jié)束，對景點的解說只是導(dǎo)航目標下的一個子目標，因此GOSUB類型表明所轉(zhuǎn)向的行為目標是當前目標的子目標，當前目標并沒有真正完成，而GOTO類型則表示目標的完全轉(zhuǎn)移，如由導(dǎo)航行為結(jié)束后轉(zhuǎn)為休息狀態(tài)，此時導(dǎo)航目標已結(jié)束。如表1所示為導(dǎo)游部分典型行為的“目標－規(guī)則”。在此基于導(dǎo)游領(lǐng)域知識建立的“目標－規(guī)則”庫將作為導(dǎo)游行為決策推理的依據(jù)。

圖2 虛擬導(dǎo)游感知過程示意圖

表1 虛擬導(dǎo)游典型行為及規(guī)則

3 決策推理器

虛擬導(dǎo)游行為模型如何根據(jù)自身行為規(guī)則及感知模型感知到的結(jié)果完成行為的選擇、激活及終止，也即如何完成行為的決策推理過程。本文通過建立目標棧輔助行為決策推理，如圖3中，首先建立棧結(jié)構(gòu)，用于存儲目標及其規(guī)則，稱為目標棧，當開始一個目標時即將目標及其規(guī)則入棧，通過在一定時間步下實時檢測當前行為下有無被觸發(fā)的規(guī)則，若有則將轉(zhuǎn)移到下一個目標，從而實現(xiàn)目標的轉(zhuǎn)移：若被觸發(fā)的規(guī)則為GOTO類型，則當前目標結(jié)束，并將當前目標及其規(guī)則彈出目標棧；若為GOSUB類型則當前目標及規(guī)則并不出棧，而將被觸發(fā)的規(guī)則標記為已觸發(fā)，使它不會在當前目標的堆棧上時被再次觸發(fā)。

一般復(fù)雜的行為由一系列基本動作構(gòu)成，為了增強行為動作的逼真性，本文將行為細分為開始start、更新update、結(jié)束finish三個階段。一個目標動作經(jīng)常需要為緊接著的更新做好準備。在決策過程中，Start方法會反復(fù)被調(diào)用，直到它返回false， start返回false時表明目標已經(jīng)被初始化之前，目標動作的update動作不會被調(diào)用，而其規(guī)則也不會被檢測。finish方法也是類似的，當規(guī)則被觸發(fā)，一個目標轉(zhuǎn)移走時，finish方法被調(diào)用，在其結(jié)束前，控制實際上還沒轉(zhuǎn)移，這給了目標一個清理的機會，讓它在轉(zhuǎn)移控制前進入一個有實際意義的狀態(tài)，從而避免了行為的失真。決策推理流程如圖3所示。該推理機制基于“目標－規(guī)則”在目標棧的輔助下完成導(dǎo)游行為的選擇、激活、終止，并實現(xiàn)動作的執(zhí)行，從而有效地實現(xiàn)導(dǎo)游的行為模擬。

4 實驗結(jié)果

本文建立的虛擬導(dǎo)游行為模型成功應(yīng)用于三河古鎮(zhèn)實時漫游系統(tǒng)[8]中導(dǎo)游的化身。圖4所示為虛擬導(dǎo)游在導(dǎo)航行為下部分效果截圖。導(dǎo)游在漫游過程中，根據(jù)感知模型對周圍環(huán)境進行感知，并由決策器決策并規(guī)劃下一步行為動作，如當感知到知名景點時，將走到待介紹景點處，做出抬手、擺動頭部等基本動作，配合音頻對景點進行介紹；如感知到其他運動著的人物，則繞道行走；在到達目的地后，導(dǎo)游將做出與游客告別的基本動作。

圖4 虛擬導(dǎo)游行為模型部分實驗截圖

5 結(jié) 論

在虛擬旅游場景中加入智能虛擬導(dǎo)游能提高虛擬旅游系統(tǒng)的真實性和趣味性，行為模型是實現(xiàn)智能虛擬導(dǎo)游的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出了基于領(lǐng)域知識的虛擬導(dǎo)游行為模型，對感知器、領(lǐng)域知識和決策推理器都進行了深入的研究，并將研究成果應(yīng)用于三河古鎮(zhèn)虛擬旅游系統(tǒng)，取得了較好的效果。

但本文采用基于數(shù)據(jù)庫的虛擬視覺模型，對模型的遮攔等問題的處理效果不理想，而且關(guān)于領(lǐng)域知識的歸納總結(jié)也有待進一步提高，這些都是今后進一步改進的方向。

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