智能虚拟环境与VR应用研究—《人机交互变革时代》

2023-10-18 理论教育版权反馈

【摘要】：在有多个用户的分布式VE中,多个Avatar之间可以进行交互,Avatar和其他对象及环境之间也可以进行交互,从而达到一个逼真的、自然的、和谐的虚拟交互环境。图4-5-1智能虚拟环境的研究内容但是,目前智能虚拟主体的构建却有待完善。特别是智能虚拟环境中主体的情感计算研究项目中针对智能虚拟环境的特殊要求,建立了同时具备实时性与真实感的且易于机器实现的情绪模型。

智能虚拟环境作为一种未来的人机界面,可以广泛应用于教育培训、娱乐游戏、媒体信息等领域。它涉及的一些关键技术,如复杂场景实时显示、虚拟人行为动画等已经趋于成熟,人们能身处虚拟现实技术所创建的亦真亦幻的世界里。就现有的虚拟环境(virtual environment,VE)　(如建筑漫游、虚拟游览、虚拟手术等)系统而言,大多数都采用静态的二维场景,场景中的物体是静态的、被动的、无生命的。然而,在真实世界的场景中,很多对象是有生命的,也就是说它们是智能的,并且有情感。为了更逼真地模仿真实世界,使得参加的用户具有沉浸感,从而最终达到和谐的人机交互,在虚拟世界中应根据需要加入一个或多个有生命的对象,形成一个智能虚拟环境(intelligent virtual environment,IVE)。在IVE中,有生命的对象和用户化身(Avatar)都用智能代理(Agent)实现。在有多个用户的分布式VE中,多个Avatar之间可以进行交互,Avatar和其他对象及环境之间也可以进行交互,从而达到一个逼真的、自然的、和谐的虚拟交互环境。

智能虚拟环境的主要研究内容包括智能Agent技术、环境中Avatar和虚拟生物的建模方法、人体动画技术、智能生命的模拟、复杂动态场景的实时绘制技术、智能交互、知识表示和推理,如图4-5-1所示。

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图4-5-1　智能虚拟环境的研究内容

但是,目前智能虚拟主体(intelligent virtual agent,IVA)的构建却有待完善。虽然基于虚拟现实艺术设计的某些主体已经能够具备栩栩如生的外形,也基于人工智能技术开发了一定的思维功能和行为功能,但在拟人化、个性化交互方面还不够完备。原因是情感在人的决策中发挥了决定性的作用,是人性化人机交互的必备因素,因此如何使智能虚拟主体具有情感交互能力(情感识别、理解和表达的能力),使其既有“脑”,又有“心”,能够与用户进行自然、和谐交互,已成为当前计算机工程领域和认知科学领域的研究热点。情绪建模,即用某种数学模型来描述人类情绪的产生及变化过程,是实现该目标的关键所在。(www.chuimin.cn)

国内外的许多研究者也就情绪建模等情感信息处理方向开展了大量的研究工作,来自不同领域的研究人员提出了虚拟人情绪动画模型、应急事件中的情绪感染模型、应用于网络教学的学业情绪模型、应用于E-Learning的情绪建模方法、应用于智能人机交互领域的HMM情感模型、BNN情感模型、人工心理模型驱动的动画合成方法、智能虚拟主体的情感计算研究等。

基于HMM的情感模型研究中,提出的情感模型将人类的情感过程视为两层随机过程,通过调整模型的初始参数,能够构建具有不同性格特征的心理模型;同时以该模型为情感引擎,用Baum-Welch算法实现了情感转移概率矩阵和某种心情状态下不同表情输出概率矢量的参数估计;还以概率的形式预测了情感输出。系统总体由两个部分组成。情感输入端:这部分由两个命令按钮和一个对话框组成。两个命令按钮用来直接测试情感模型;对话框用来接收用户输入的与虚拟人的对话内容,通过语言理解模块对输入信号的类别作出判断,语言理解模块的输出结果为“奖励”或“惩罚”信号,作为驱动情感交互系统的最终信号。模型参数的训练:在对角色进行情感建模时,目的是调整初始模型参数K=(A,B,P),使给定模型的观察序列的概率最大。在不同的意识刺激下,所得到的虚拟人表情的观察值序列是不同的,因此在不同的意识刺激下,同一个角色会有不同的情感模型。通过适当的初始值和观察序列训练模型,由最后的模型产生观察序列并且综合考虑行为模式因素和输入信号判断因素的影响,编程实现情感交互系统的程序。系统的输出端:情感模型会得到一个情感输出结果,包括此时的心情和表情,并且程序通过计算同样得到了出现其他可能出现的心态及表情的概率。结合多媒体文件及文本框表示计算结果。该项目实现的情感交互,不是基于行为模式的方法,而是基于统计模型的规律,系统运行结果表明由该模型产生的情感反映真实、自然。该方法同时具有建模简单、易于构造不同性格人物的特点。该研究结果为情感虚拟人系统提供了一种理论设计方法。

特别是智能虚拟环境中主体的情感计算研究项目中针对智能虚拟环境的特殊要求,建立了同时具备实时性与真实感的且易于机器实现的情绪模型。以心理学中的认知评价理论和基本情绪理论为依据,提出一种基于模糊规则和非线性函数的情绪产生器,用来模拟人类基本情绪的产生和迁移过程。该方法主要考虑到情绪现象的复杂性与模糊性,选择模糊规则和非线性函数来建立模型。MATLAB仿真结果表明,该模型能够较合理地模拟人类几种基本情绪的产生、迁移及相互促进和抑制特性。由于实现简单,因此既能满足智能虚拟环境对真实感、人性化的要求,又能兼顾系统实时性要求。

智能虚拟环境与VR应用研究—《人机交互变革时代》

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