基于Web的分布式虚拟环境中的智能虚拟人研究

CVRV2002

基于Web的分布式虚拟环境中的智能虚拟人研究

导师 张申生教授博士生 戴开宇论文摘要

在分布式虚拟环境中建立具有智能行为的虚拟人有着重要的意义。本文分析了分布式虚拟环境对智能虚拟人行为的要求。提出了一个虚拟人的体系结构。着重分析了其在动态环境下面向目标的行为选择和实现方法，并给出其形式化描述。最后给出了基于VRML的参数化人物动作生成方法。我们应用该体系构造了一个基于Web的虚拟城市的导游人物，取得了很好的效果。10/28/2023分布式虚拟环境(1)虚拟现实概念

以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界,在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中,使参与者可以直接参与和探索虚拟对象在所处环境中的作用和变化，产生沉浸感

虚拟现实应有的特征（三I)沉浸感（Immersion）:能给人们以真实世界的感觉，让人感觉全方位地沉浸在这个虚幻的世界中。交互性（Interaction）:虚拟现实与通常CAD系统所产生的模型是不一样的，它不是一个静态的世界，而是可以对使用者的输入作出反应。虚拟现实环境可以通过控制与监视装置影响或被使用者影响。想象（Imagination）:它的应用能解决在工程、医学、军事等方面的一些问题,这些应用是ＶＲ与设计者并行操作,为发挥它们的创造性而设计的,这极大地依赖于人类的想象力。10/28/2023分布式虚拟环境(2)分布式虚拟环境（DistributedVirtualEnvironment)

利用计算机构造的一个真实世界的模拟，地理上分布的用户可以通过网络共享该环境，并与周围的环境以及在相互之间进行交互。共享虚拟环境涉及到虚拟现实、分布对象、网络、人机交互、智能代理等领域。其他同义词包括:NetworkedVE(VR),SharedVE(VR),Multi-UserVE,etc.其实质是一种人机交互界面

分布式虚拟环境必须具有以下功能：能很好的可视模拟真实世界：三维模拟构造真实世界；支持多媒体内容；通过硬件给用户触觉等真实感受。数据共享：该环境中的数据可以在一定规则下被进入该用户共享。用户应该看到的是一个统一的视图。因为用户使用的系统可能是异构的，所以该系统应该具有平台独立性。交互性：用户能通过一定的输入设备与环境和其他用户进行交互。10/28/2023分布式虚拟环境(3)分布式虚拟环境的应用军事训练

SIMNET&DIS

教育与培训

pedagogicalagentSteve;JackMOO网络会议与远程协作

Sony公司基于DIVE的一个系统娱乐和虚拟社区

Cybertown(使用Blaxxun）电子商务

VRcommerceofIBM更加直观可视化三维表达，可以定制更具有个性化

丰富的购买行为可以更好的表达用户的购买习惯更具交互性顾客：共同商量购买一个商品，和其他顾客交流

获得及时咨询，帮助立刻确定购买行为

商家：及时对顾客咨询帮助其确定购买行为；

得到顾客的反馈信息，调整商业策略10/28/2023分布式虚拟环境(4)分布式虚拟环境发展的原动力因特网技术的广泛使用:Internet已经成为娱乐、商业等的重要媒体硬件基础：网络带宽的提高（宽带网的逐渐普及），个人计算机图形处理能力的增强软件基础：虚拟现实技术和网络技术的结合日益复杂的数据使得原来的界面不能满足需要，人们希望更加直观的表达信息，使用更加自然的方式进行人机交互以及通过网络实现人与人之间实时、形象的交流10/28/2023分布式虚拟环境(5)著名分布式虚拟环境项目介绍DIVEhttp://www.sics.se/dive/由瑞典InstituteofComputerScience开发运行在SGIRIX,PC

NT4,PC

Linux/Mesa,SunSolaris,HPHPUX上核心代码使用C语言写成提供API和TCLScript接口1991年第一版本SIMNET&DIS美国DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)1983年开始的一项研究，交付官方使用于1990年，用于模拟组队作战环境特点：对象-事件模型，自治模拟节点，预测算法DIS网络软件架构的核心是协议数据单元（PDU）

没有中央服务器,可扩展性好10/28/2023分布式虚拟环境(6)NPSNET-IV美国海军研究生院开发具有关节可以灵活动作的人物，攀登以及下坡等能力。通过MBONE网络互连支持空中以及地点的各种工具。与SIMNET/DIS兼容

PARADISE1993年斯坦福开始的一个项目集中解决带宽问题，使用IP组播技术采用了AOI（兴趣区域）服务器作为信息传播中介。将实体根据状态变化频率分类，采用不同精度的预测算法10/28/2023分布式虚拟环境(7)基于Web和VRML的分布式虚拟环境

BlaxxunInteractiveInc/

1995年成立，总部在德国慕尼黑VirtualWorldsPlatform5.1多人服务器BlaxxuncontactVRML客户端程序blaxxun3DJava解释VRMLVnet/~jeffs/vnet/

VRML+Java

DeepMatrix

VRML+Java10/28/2023智能虚拟人（1）在分布式虚拟环境中构造智能虚拟人的意义

使得分布式虚拟环境具有更好的交互性和智能性。从而使得分布式虚拟环境内容更加丰富，也更加逼真，更具有吸引力。帮助实现构造分布式虚拟环境的目的，从而具有更加广泛的应用，他们实质代表了一种更加形象的服务：教学培训：虚拟教师，可以实时回答问题并做示范电子商务：导购人员，咨询娱乐游戏：游戏中的参与者城市社区：导游提供了一种研究人类自身的方法（人工智能）。如：认知学等在建造物理机器人之前，可以在虚拟环境中进行通过建造虚拟机器人进行仿真。

10/28/2023智能虚拟人（2）相关项目介绍JACK宾夕法尼亚大学人物建模和仿真中心研发/生物医学数据精确的人体模型，从人体测量的统计数据得到。该模型包括逼真的行为控制、符合真实人体比例的缩放、以及诸如障碍物回避等。

主要用于产品设计的人类工程方面的考虑。可以对虚拟产品设计通过虚拟人进行测试。由用户给予各种约束和任务，JACK可对许多指标给出计算结果。编程接口：并行转换网络（PaT-Nets）状态转换图.结点:执行体；边:条件参数化动作表示方法（PAR）用于连接自然语言命令和动作执行动画。JACK相关项目JackMOOJACK+LambdaMOO(byPavelCurtisatXeroxParc)SmartAgent.

10/28/2023智能虚拟人（3）Oz/afs//project/oz/web/oz.html卡耐基梅隆计算机学院研究开发三个侧重点:believableagents,表达,高度交互性的剧情.对于believableagents来说，个性是最重要的，强调的是艺术的真实抽象，有感染力，让人置信。而不是人工智能强调的能力。Oz强调建立特殊唯一的believableagent。提出了一个TOK架构来构造称为BroadAgent的具有感知、行为、情绪、语言等广泛能力的智能代理，由控制反应和面向目标的行为的Hap模块、负责情绪和社会关系的Em模块组成以及一个自然语言系统Glinda组成

Hap是系统的核心模块，提供支持描述believableagent行为的机制。使用“反应型规划”的策略来实现在复杂环境中的快速反应，而不追求代理的非常智能化

10/28/2023智能虚拟人（4）IMPROV/projects/improv/NewYork大学计算机系媒体研究实验室的一个研究项目

一种行为动画的方法。提供给了一个脚本语言用于构造实时的基于行为的人物动画。行为可以以由创作者维护的内部状态以及外部事件为条件。通过指定该虚拟人物在某种情形下采取各种行为的可能性，来使该人物具有个性。由具备高层能力的行为引擎和控制底层几何变化的动画引擎组成。高层使用脚本定义动作序列来表示一个行为，而底层通过定义几何变化来构造原子行为。运用噪声技术，产生随机的微小的运动，使得人物活动更加真实。10/28/2023基于Web的分布式虚拟环境（1）VRML

它的出现主要是为了在Internet范围内建立一个全球统一的基于网络的三维标准.V1.0(1994)-->V2.0(1996)->VRML97(ISO)-V3.0(X3D)完整的三维建模语言:完整描述三维场景的物体、光、材料、环境特性和真实感效果分布处理方式:支持多个分布式文件的多种对象和机制,包括内联式嵌入其他VRML文件,通过超链接指向其它文件三维交互功能:能够检测用户和虚拟环境中几何造型交互动作(如按动开关，碰撞检测),用户在虚拟环境中的行为以及时间推移。检测器提供的这些信息通过由VRML定义的整个事件体系产生视觉或听觉效果,给用户造成和境界互动的交互式体验平台无关性多媒体集成（背景音乐,空间立体声支持，电影贴图）10/28/2023基于Web的分布式虚拟环境（2）

原型节点(PROTO)便于用户利用已有节点定义面向对象的新的节点。使用脚本节点(Script)用户可以定义更加复杂的执行逻辑，支持VrmlScript以及Java等语言。10/28/2023基于Web的分布式虚拟环境（3）EAI(ExternalAuthoringInterface)

EAI允许一个JavaApplet主要以三种方式访问VRML的场景：

可以发送一个事件到VRML场景中节点的事件入口

可以收到VRML场景中节点的事件出口发出的最新值当VRML场景中节点的事件入口发出一个事件时，能得到一个通知，激活callback方法

VRML本身不具备网络通讯能力，Java提供了该功能。Java弥补VRML计算，程序设计方面的不足，可以加入复杂的逻辑10/28/2023基于Web的分布式虚拟环境（4）图1B/S结构的分布式虚拟环境框架Web服务器分布式虚拟环境服务器虚拟人物控制器

浏览器AppletVRML插件客户端1服务器端客户端2客户端n。。。本地图形数据库拷贝用户操作界面EAI全局数据库及语义服务器下载

C-S结构（Java安全性）全局数据库以及语义服务器，用于记录全局几何信息以及一些非几何的语义信息

在网络上传输的只是发生改变的几何信息或者控制信息

虚拟人控制器决定虚拟场景中自主的虚拟人需要采取的行为

10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（1）

设计考虑虚拟人对周围环境刺激的反应应该是迅速以及稳定的，传统人工智能耗费时间的复杂的逻辑推理和符号处理并不适合于设计这样的虚拟人。分布式环境中是一个动态环境，不断有新的情况发生。虚拟人要能处理突发事件。该虚拟人应该具有比较广泛的能力。与传统人工智能针对某个方面进行深入分析达到很强的智能相比，该虚拟人具有综合智能，尽管各个方面的智能由于一些限制还不是很强。但却给人以一个整体的逼真的人物的感觉。

设计应该与前述基于Web的分布式虚拟环境对应。在每个客户端的VRML世界中都包含了一个虚拟人的图形拷贝，而行为决策和各种语义逻辑应该放在服务器端

10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（2）虚拟人物控制器用于感知各种外界以及内部的刺激，并根据局部信念、规划以及行为库、内部精神状态进行行为规划和实现。它包括两个主要模块：行为引擎主要用于做高层行为决策和分解，将分解到的最底层的原子行为传给动作引擎，动作引擎将其语义转化成几何变化信息，并通过Socket封装协议发送控制信息给客户端的几何修改器。

内部精神状态

采用一组变量描述虚拟人的内部精神状态，

规划及行为库是支持虚拟人控制器作出行为选择的知识库。规划以及行为库的设计是可以扩充的.人物几何造型行为引擎动作引擎外界环境几何修改器内部精神状态VRMLEAI虚拟人物控制器规划及行为库客户端服务器端虚拟人物物理模型局部信念图2虚拟人物整体框架感知-改变10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（3）局部信念表示由该虚拟人维护的信念，包括对自己状态的维护以及其他环境中相关性很强的信息。

几何修改器接收由动作引擎发过来的控制命令以及其中的参数，直接修改VRML中的属性，从而使得人物的几何形体发生变化，表示一定的动作。使用EAI实现。动作的成功完成或者失败都应该发回一个反馈信息给服务器端的虚拟人控制器，主动感知与被动感知主动感知：全局环境数据库管理器管理整个分布式虚拟环境中的事件，并把事件发送给相应的接收者被动感知：虚拟人在行为规划中，主动查询全局数据库获得相关信息10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（4）一个规划可以描述为下面六元组：Pi：：=(Triggeri,Propertyi,Pci,Bsi,Statei,Efi)

Triggeri

：是引发该规划的事件；

Propertyi记录了该规划的一些特殊属性，如优先级大小，以及可否被其他规划抢占等；

Pci是一组实行该规划需要满足的前提条件，

Bsi表示一组完成该规划需要采取的行为，

Statei是该规划目前执行的状况，为活动状态集中的某个状态，

Efi表示该规划成功后将对环境以及自身产生的一组后果。10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（5）

行为是由一组动作序列组成的，所以B也可以如此定义：B::=Ф（Actioni，i=0，1，..）。其中Ф是一种复合函数，表示了动作的组合。动作可以通过原子动作的组合递归定义如下：①原子动作是一个动作。②如果Action1,Action2是动作，则Action1∧Action2是动作，∧表示连接，即Action2在Action1完成后执行。③如果Action1,Action2是动作，则Action1∨Action2是动作，∨表示并行，即Action2可以和Action1同时执行。④如果Action1,Action2是动作，则Action1+Action2是动作，其中表示可选，即Action1和Action2两个分支过程中选择其中一个执行即可。⑤如果Action1,Action2,Action3是动作，则（Action1∨Action2）*Action3是动作，其中*表示非等待连接，即Action1和Action2中有任何一个动作完成即可执行Action3.

10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（6）规划行为库可以采用产生式系统结合计算程序库来实现。一个产生式系统包含一系列产生式规则，规则形如：IF条件THEN采取的规划条件相当于前述的Trigger，它基于虚拟智能人物的信念以及对环境的感知。虚拟人控制器以一定的时钟步对规则库所有规则进行检测，将所有条件都符合的规划放入待执行的规划队列虚拟人控制器从该队列中选取优先级别最高的规划执行外界环境的变化和执行规划的过程中，信念也将发生动态的变化，这样当前规划可能被具有更高级别的规划打断，或者当前规划的前提条件在执行的过程中已经不复成立，从而取消。随着规划的执行（表现为采取的行为个数增加），该数值将增加，即一个规划的优先级别是动态的。在规划行为库中所有的规则最后，设计一个条件一直为真的规划。一般是为了维护虚拟人的逼真性使其随机采取一些行为10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（7）基于H-Anim的人物造型以及动作实现

http://ece.uwaterloo.ca/~h-anim/

H-Anim标准是为了提供一个具有良好兼容性、灵活性、简单性的人物模型构造方法而提出来的标准。

标准通过原型构造扩充VRML2定义了三个主要的新的节点，在这些节点中可以包含丰富的信息，比如身体段的质量，包围整个身体段或者人物的长方体尺寸，关节的运动范围等

：

Joint节点：定义关节Segment节点：定义身体段。Site定义相对于该Segment的位置，可用于往身体段上附着衣服以及定义反向动力学方法的终端效应器等Displacer节点用于定义一组具有特殊特征或者配置的顶点，可以用于肌肉变形动画等Humanoid节点：包含指向Joint节点和Segment节点的引用数组以及作者版本等信息10/28/2023分布式虚拟环境中的智能虚拟人建模（8）H-An