基于智能AGENT動(dòng)作行為的規(guī)劃及其仿真

摘 要 隨著智能信息技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。而智能AGENT又是智能空間中最豐富的因素。因此對(duì)智能AGENT動(dòng)作行為的研究是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)。本文借助ConGolog作為智能AGENT動(dòng)作規(guī)劃，并利用H_anim規(guī)范設(shè)計(jì)出智能AGENT三維實(shí)體模型，并且最終利用VRML技術(shù)將智能AGENT動(dòng)作行為規(guī)劃的結(jié)果在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中驗(yàn)證其可行性。

關(guān)鍵詞 智能；agent；ConGolog；H_anim

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0069-03

智能agent的動(dòng)作描述涉及到運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人學(xué)，生物力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，這引起了很多學(xué)者的研究興趣，3D動(dòng)畫中智能agent技術(shù)也由純粹的理論研究逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用，它在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、軍事、航天、體育、汽車、藝術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，本文采用web3d協(xié)會(huì)的H_anim規(guī)范設(shè)計(jì)出智能agent的模型。運(yùn)用ConGolog進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃，以達(dá)到自動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)作序列的目的。

DLP（distributed logic programming）是一種prolog語言的面向?qū)ο蟮臄U(kuò)展語言，具有面向?qū)ο?，并行，分布和邏輯程序設(shè)計(jì)的特性，并且能夠很好同三維建模語言VRML結(jié)合在一起，本文通過DLP來對(duì)智能AGENT行為動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行仿真。

本文內(nèi)容主要包括智能agent建模，動(dòng)作規(guī)劃，系統(tǒng)仿真，最后是結(jié)論及未來工作的展望。

1 智能agent建模

我們參照H-Anim標(biāo)準(zhǔn)（VRML的一個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)），忽略面部和手部的定義，將虛擬人表示16個(gè)骨骼段（Segment）的合成，骨骼段之間由節(jié)點(diǎn)相連。這些身體部分之間并不存在包含關(guān)系（在H-Anim標(biāo)準(zhǔn)中除了根節(jié)點(diǎn)HumanoidRoot以外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)）。這些骨骼段主要有：chest， pelvis， head， neck， l_upperarm， l_forearm， l_hand， l_thigh， l_calf， l_foot， r_upperarm， r_forearm， r_hand， r_thigh， r_calf， r_foot 。本文的人體組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 身體節(jié)點(diǎn)圖

虛擬人動(dòng)作之間的帶動(dòng)關(guān)系。根據(jù)真實(shí)世界中人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，身體的一個(gè)部分的動(dòng)作要帶動(dòng)其他相關(guān)的身體部分，在H-Anim標(biāo)準(zhǔn)中，身體的各個(gè)部分之間是樹型的包含關(guān)系，例如左手腕（l_wrist）是包含在左肘（l_elbow）中的，而左肘則包含在左肩（l_shoulder）中的，這樣，左肩的動(dòng)作自然包含了左肘和左手腕的動(dòng)作，這樣的定義對(duì)于實(shí)現(xiàn)身體各部分的動(dòng)作的帶動(dòng)關(guān)系有很大方便，但是確給動(dòng)作的刪減造成很大困難。而在本文的虛擬人中，這些節(jié)點(diǎn)沒有包含與被包含的關(guān)系，本文通過定義他們之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作之間的帶動(dòng)關(guān)系，在默認(rèn)時(shí)他們的動(dòng)作之間是都是有帶動(dòng)關(guān)系的，在需要?jiǎng)h減動(dòng)作的時(shí)候，例如需要根據(jù)一個(gè)有手臂動(dòng)作和腿部動(dòng)作的走的動(dòng)作來定義一個(gè)沒有手臂動(dòng)作只有腿部動(dòng)作的走的動(dòng)作時(shí)，就可以通過去掉手臂的帶動(dòng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。

2 智能agent的動(dòng)作規(guī)劃

本系統(tǒng)動(dòng)作規(guī)劃的思想要求設(shè)計(jì)出來的動(dòng)作描述語言讓智能agent只要給定一個(gè)任務(wù)就能自動(dòng)產(chǎn)生智能agent的動(dòng)作序列。ConGolog是一種基于情景演算的并行程序語言，不同于其他的并行程序形式，它的初始情景可以不完全指定，且基本動(dòng)作可以有用戶根據(jù)情景演算的公理自定義。智能agent找到一個(gè)由一些高層不確定程序的合法執(zhí)行形成的動(dòng)作序列的任務(wù)，取代了智能agent從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)尋找到的動(dòng)作序列。并且在情景演算的基礎(chǔ)上，ConGolog增加了下面的動(dòng)作。

原始動(dòng)作

測試判斷

順序操作

非條件的選擇性操作

非條件性中斷操作

if φ then δ1 else δ2， 條件性選擇性操作

while φ do δ， 循環(huán)操作

δ1||δ2， 同等優(yōu)先級(jí)并發(fā)操作

（δ1 >>δ2）， 帶有不同優(yōu)先級(jí)的并發(fā)操作

δ， 并發(fā)重復(fù)

動(dòng)作規(guī)劃的機(jī)制：我們可以通過一個(gè)具體的實(shí)例智能agent搬桌子來進(jìn)行說明，具體如圖2所示。

圖2 搬桌子

ConGolog引進(jìn)了兩個(gè)特殊的謂詞Trans（δ，s，δ′，s′）和Final（δ，s）。其中，F(xiàn)inal（δ，s）表示程序δ合法地終止在情景s. Trans（δ，s，δ′，s′）表示程序δ在情景s下執(zhí)行一步，將改變到情景s′，并余下程序δ′未執(zhí)行，其中，情景s′表示執(zhí)行一個(gè)基本動(dòng)作或測試動(dòng)作后得到的情景，程序δ′表示在執(zhí)行上面的基本動(dòng)作或測試動(dòng)作后程序的剩余部分。Trans表示的是兩個(gè)結(jié)構(gòu)間的傳遞關(guān)系，即從<δ，s>到<δ′，s′>的傳遞關(guān)系。ConGolog從初始情景經(jīng)過有限次的過渡后達(dá)到最終的情景。在這些基礎(chǔ)上可以通過提供的優(yōu)先級(jí)控制來確定先執(zhí)行哪段程序。

因此ConGolog的搬桌子的動(dòng)作代碼如下所示：

val（vpos（E，do（A，S）），V） ：-

（A=vmove（Rob，Amount）， holding（Rob，E，S）， val（vpos（E，S），V1），

V is V1+Amount） ；

（A=release（Rob，E）， V=0） ；

（val（vpos（E，S），V），

not（A=vmove（Rob，Amount）， holding（Rob，E，S）），

A＼=release（Rob，E））.endprint

tableUp（S） ：-

val（vpos（end1，S），V1）， V1>=3， val（vpos（end2，S），V2）， V2>=3.

safeToLift（Rob，Amount，Tol，S） ：-

tableEnd（E1）， tableEnd（E2）， E2＼=E1， holding（Rob，E1，S），

val（vpos（E1，S），V1）， val（vpos（E2，S），V2），

V1=

proc（ctrl（Rob，Amount，Tol），

seq（pick（e，seq（test（tableEnd（e）），act（grab（Rob，

e）））），

while（neg（tableUp（now）），

seq（test（safeToLift（Rob，Amount，Tol，now）），

act（vmove（Rob，Amount））））））.

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 DLP

DLP結(jié)合了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的概念，這使得它是一個(gè)有用的編程工具。這門語言采用了邏輯程序設(shè)計(jì)語言如Prolog的語法和語義學(xué)。它是一門高級(jí)的說明性語言，適合于人工智能領(lǐng)域的分布式軟件體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。特別的，它是基于規(guī)則的知識(shí)表示法的一門靈活的語言。

在DLP中，一個(gè)對(duì)象就是一組規(guī)則和事實(shí)，有一系列由謂詞和條件（變量或常量）構(gòu)成的公式。例如，一個(gè)規(guī)則。

findHowtoReact（Agent；Ball； shooting） -：

getP osition（Agent；X； Y；Z），

getP osition（Ball；Xb； Y b；Zb），

gateP osition（Agent；Xg； Y g；Zg），

distance（X； Y；Z；Xb； Y b；Zb；Distb），

distance（X； Y；Z；Xg； Y g；Zg；Distg），

Distb =< kickableDistance，

Distg =< kickableGoalDistance.

說明如果AGENT可以踢球而且球門在射程內(nèi)，則代理就應(yīng)該去嘗試著射門。

3.2 VRML EAI擴(kuò)展

DLP是一門可擴(kuò)展語言。專門應(yīng)用領(lǐng)域的特殊必要條件可以很容易的綜合到現(xiàn)存的面向?qū)ο笳Z言框架中。DLP已經(jīng)用VRML EAI的運(yùn)行時(shí)庫擴(kuò)展了。接下來的謂詞時(shí)DLP VRML插件程序的幾個(gè)例子。

URL裝載謂詞loadURL（URL）

向Web瀏覽器裝載一個(gè)在URL的VRML世界

獲取位置謂詞getPosition（Object，X，Y，Z）

獲取VRML世界中的對(duì)象的當(dāng)前位置

設(shè)置位置謂詞setPosition（Object，X，Y，Z）

設(shè)置VRML世界中的對(duì)象的位置

獲取旋轉(zhuǎn)謂詞getRotation（Object，X，Y，Z，R）

獲取VRML世界中的對(duì)象的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)

設(shè)置旋轉(zhuǎn)謂詞setRotation（Object，X，Y，Z，R）

設(shè)置VRML世界中的對(duì)象的旋轉(zhuǎn)

獲取屬性謂詞getSFVecef（Object，F(xiàn)ield，X，Y，Z）

獲取對(duì)象的Field的一個(gè)值（這個(gè)值由三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)X，Y，Z組成）

設(shè)置屬性謂詞setSFVec3f（Object，F(xiàn)ield，X，Y，Z）

給對(duì)象的Field設(shè)置一個(gè)SFVec3f值X，Y，Z

而且，DLP程序是編譯成為java類文件，這使得它是實(shí)現(xiàn)VRML EAI小程序的一個(gè)便利的工具。

本系統(tǒng)由于最終需要在虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)平臺(tái)中展示，因此通過DLP這個(gè)開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用ConGolog動(dòng)作規(guī)劃，對(duì)智能AGENT動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行仿真。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見如3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文通過智能AGENT踢球的實(shí)驗(yàn)對(duì)動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果見圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

4 結(jié)論

情景演算理論為智能AGENT的規(guī)劃提供了一種有效的解決方法，本文通過智能AGENT模型的構(gòu)建，將Congolog應(yīng)用到智能AGENT的動(dòng)作規(guī)劃上，并且通過DLP對(duì)動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文為人工智能和3D動(dòng)畫的結(jié)合，為智能AGENT動(dòng)作規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的可行的方法。

基金項(xiàng)目

寧夏自然科學(xué)基金：基于Mashup個(gè)人知識(shí)環(huán)境構(gòu)建研究，NZ13048。

參考文獻(xiàn)

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[4]A Parameterized Action Representation for Virtual Human Agents Norman Badler， Rama Bindiganavale， Juliet Bourne，1999， PA 19104-6389

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[6]Zhisheng Huang， Anton Eliens， and Cees Visser. STEP： A Scripting Language for Embodied Agents [C].Tokyo， Japan： Proceedings of the Workshop on Lifelike Animated Agents， 2002.

作者簡介

趙國棟（1972-），男，寧夏人，副教授，碩士，寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用，軟件工程，計(jì)算機(jī)教育。