角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)

羅江林 王青青 朱妹麗

摘要：角色的表情與動(dòng)作是塑造人物性格特征的重要手段，為了增加角色個(gè)體智能度，提高動(dòng)畫(huà)質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型。該模型利用云端獲取角色所處的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，利用視覺(jué)圖像獲取感知信息，然后采用瞬時(shí)記憶、短時(shí)記憶、長(zhǎng)時(shí)間記憶共同對(duì)信息進(jìn)行分析處理，以提高決策器準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)效果表明本文設(shè)計(jì)的角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：感知交互模型；視覺(jué)感知；避碰感知

中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0163-02

在動(dòng)畫(huà)智能生產(chǎn)的過(guò)程中將克服和解決現(xiàn)行動(dòng)畫(huà)生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、質(zhì)量糙等問(wèn)題，并且動(dòng)畫(huà)在線智能生產(chǎn)技術(shù)將人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中智能角色之間能夠交互，能夠針對(duì)人的行為動(dòng)作實(shí)時(shí)反應(yīng)。對(duì)角色的六感交互神經(jīng)感應(yīng)技術(shù)研究的過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者也取得了很多研究成果，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的Oz系統(tǒng)中，通過(guò)精神模型將感官得到的信息傳遞給虛擬環(huán)境中的角色，從而驅(qū)動(dòng)角色的情緒和智能度。美國(guó)紐約大學(xué)計(jì)算機(jī)媒體研究室建立的Improv系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)畫(huà)引擎建立了試試的基于行為的人體動(dòng)畫(huà)，虛擬人對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)還是比較呆板的，并且也沒(méi)有情緒等的感知。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)相較于國(guó)外，在角色感知建模方面發(fā)展較晚，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所的王兆其等人開(kāi)發(fā)了JointMotion系統(tǒng)，通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)手套來(lái)確定角色的不同關(guān)節(jié)的狀態(tài)[1]。浙江大學(xué)的CAD&CG;國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘志庚等人通過(guò)通用行為表來(lái)模擬角色的控制[2，3]。

傳統(tǒng)的角色感知僅僅具有推理、決定、計(jì)劃和學(xué)習(xí)等能力，并且表達(dá)情感的方式比較單一。而本文研究的角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型能夠模擬人的感官感受，感受來(lái)自虛擬環(huán)境的各種刺激，包括光、聲音、氣味、溫度等等，這些聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等感知信息都刺激不同的情感，進(jìn)而觸發(fā)不同的表情與動(dòng)作。

1 角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型設(shè)計(jì)時(shí)，就是需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠適應(yīng)環(huán)境中信息的多樣性以及信息更新的即時(shí)性，并且角色能夠通過(guò)感官來(lái)獲取所需的環(huán)境的信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理、加工，在認(rèn)知決策后，做出相應(yīng)的行為。本文設(shè)計(jì)的角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型的總體架構(gòu)如圖1所示。

感知是動(dòng)畫(huà)中角色與虛擬環(huán)境進(jìn)行信息交互的重要手段，建立角色的感應(yīng)模型是進(jìn)行決策的前提。智能體角色的感知主要是人類在現(xiàn)實(shí)世界對(duì)外界或者自己的感知在虛擬世界中的再現(xiàn)，通過(guò)傳感器模擬出人類的六感功能，并將獲取的信息傳遞給角色，然后利用認(rèn)知決策機(jī)制判斷出角色的行為。在設(shè)計(jì)角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型時(shí)應(yīng)具有的功能如下：

（1）角色應(yīng)該能夠?qū)η靶新窂缴系男畔⑦M(jìn)行感知。如果想要角色在虛擬的世界里如同人類一樣正常的行走，需要對(duì)影響角色前行路上的物體信息進(jìn)行感知，即對(duì)角色視覺(jué)可視范圍內(nèi)能夠影響其前行的信息進(jìn)行感知。

（2）角色不僅能夠感知到物體的存在，還得獲取更多的信息。在進(jìn)行動(dòng)畫(huà)生產(chǎn)的過(guò)程中，可以通過(guò)環(huán)境信息知識(shí)模型庫(kù)對(duì)物體的屬性、位置等信息進(jìn)行感知，這樣才能判決出下一步的行為。

（3）角色能夠進(jìn)行避碰感知。角色通過(guò)感官獲取到物體的信息后，能夠模擬人類的正常行走，從而避免了與其他角色的碰撞。應(yīng)該可以進(jìn)行避免檢測(cè)。

2 構(gòu)建角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 視覺(jué)圖像提取

感知是角色與虛擬環(huán)境之間進(jìn)行信息交互的重要手段，是進(jìn)行角色建模的根本，是角色的下一步?jīng)Q策的前提。人類的感知非常豐富，有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)等，從目前研究來(lái)看，視覺(jué)是獲取信息的主要途徑，80%的環(huán)境信息都是來(lái)自于視覺(jué)。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在大多數(shù)的視覺(jué)模型是綜合視覺(jué)模型和幾何視覺(jué)模型。前者是通過(guò)渲染和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢進(jìn)行建模，是通過(guò)渲染模型的視覺(jué)機(jī)制來(lái)獲取實(shí)體間的相對(duì)位置，這種方式在處理大量角色的虛擬場(chǎng)景中時(shí)效性低；后者是通過(guò)幾何算法來(lái)設(shè)計(jì)多種信息的過(guò)濾器從而模擬人體視覺(jué)功能，并且從大數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出物體信息，這種方式能夠準(zhǔn)確的反映人的視覺(jué)感知信息。

2.2 碰撞檢測(cè)

當(dāng)角色在虛擬環(huán)境中進(jìn)行行進(jìn)時(shí)，會(huì)與場(chǎng)景中的其他物體發(fā)生碰撞或者穿插，因此，在虛擬環(huán)境中，碰撞檢測(cè)是增強(qiáng)真實(shí)感和沉浸感的重要手段之一。碰撞檢測(cè)感知器的輸入信息會(huì)經(jīng)過(guò)視野感知器進(jìn)行處理，對(duì)在角色視野范圍內(nèi)的物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)障礙物，并且為角色繞過(guò)障礙物提供動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。其碰撞避免過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2-（1）表示主線和搜索線檢測(cè)到碰撞，搜索線偏移，直到搜索線沒(méi)檢測(cè)到碰撞；圖2-（2）表示主線檢測(cè)到碰撞，搜索線沒(méi)檢測(cè)到碰撞，角色沿著 搜索線方向運(yùn)動(dòng)；圖2-（3）表示主線沒(méi)檢測(cè)到碰撞，搜索線 與主線方法相同，角色沿著主線方向運(yùn)動(dòng)。

2.3 視覺(jué)記憶

記憶是角色具有智能性的一個(gè)重要標(biāo)志，在視覺(jué)模型中加入記憶模型，記憶模型分為瞬時(shí)記憶模塊、短時(shí)記憶模塊和長(zhǎng)時(shí)間記憶模塊，在每一個(gè)模塊中都能進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和提取。

其中，瞬時(shí)記憶模塊主要是對(duì)感知器得到的信息進(jìn)行過(guò)濾，將相關(guān)性較為弱的信息刪除掉；短時(shí)記憶模塊對(duì)感知到的新信息進(jìn)行解釋和加工；長(zhǎng)時(shí)間記憶模塊主要是對(duì)全局路徑進(jìn)行規(guī)劃。

3 角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)感知模型時(shí)，要考慮虛擬環(huán)境對(duì)角色感知的影響，其設(shè)計(jì)六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型如圖3所示。角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型包括圖中的環(huán)境信息、視覺(jué)圖像提取、虛擬感知器和視覺(jué)記憶。

整個(gè)感知模型的工作情況如下：通過(guò)云端獲取到角色所處的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，然后通過(guò)視覺(jué)圖像提取得感知信息，并且傳遞到瞬時(shí)記憶模塊進(jìn)行短暫的存儲(chǔ)，通過(guò)視野感知器的篩選，將冗余信息進(jìn)行過(guò)濾，將感興趣的存儲(chǔ)到短時(shí)記憶模塊中，然后對(duì)信息進(jìn)行加工和判斷，根據(jù)角色的意圖從長(zhǎng)時(shí)間記憶模塊中選取相匹配的信息，然后送如行為決策模塊。最終在根據(jù)虛擬人意圖得到最終的決策，進(jìn)行行為規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。

角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型是構(gòu)建在虛擬感知器建模技術(shù)基礎(chǔ)上，在感知模型中，有效的感知器不僅給行為模型提供信息，還能提高感知模型的工作效率。本文主要研究了視野感知器和碰撞檢測(cè)感知器。

3.1 視野感知器

本文在設(shè)計(jì)視野感知器時(shí)，為了提高計(jì)算效率，將場(chǎng)景中的物體都包圍了一個(gè)矩形框，這樣在判斷物體是否可見(jiàn)，僅僅判斷矩形的8個(gè)頂點(diǎn)是否可見(jiàn)即可。在進(jìn)行點(diǎn)的判斷時(shí)，首先要判斷點(diǎn)是否在人的視線范圍之內(nèi)，其次判斷點(diǎn)是否被其他物體遮擋了。其示意圖如圖4所示。

3.2 碰撞檢測(cè)感知器

本文中的碰撞檢測(cè)感知器采用優(yōu)化后的混合層次包圍盒結(jié)構(gòu)[4]，如圖5所示。與傳統(tǒng)混合層次包圍盒樹(shù)比較而言，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)避免了中間層運(yùn)算量的消耗，能夠有效提高。此外，在遍歷混合層次樹(shù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，利用時(shí)空相關(guān)性減少包圍盒的檢測(cè)對(duì)數(shù)，進(jìn)一步提高算法處理效率。

優(yōu)化后的效率對(duì)比如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種角色六感交互神經(jīng)感應(yīng)模型，給出了感應(yīng)模型框架與模型工作流程。為了有效提高該模型的工作效率，對(duì)視野感知器與碰撞檢測(cè)感知器中算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化與優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉箴，潘志庚.虛擬人動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的情緒模型研究[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2009，14（05）：773-781.

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Abstract：Facial expression and action were important ways to shape character traits. In order to increase the individual intelligence and improve the animation quality， this paper designed a role six sense interaction neural induction model. The model used the cloud to obtain the environmental information data of the role， used the visual image to get the perceptual information. In order to improve the accuracy of the decision maker， the information is analyzed with instantaneous memory， short memory， and long time memory. The experimental results shown that the six sense interactive neural induction model designed in this paper was feasible.

Key words：perceptual interaction model； visual perception； collision avoidance perception