虛擬導游的行為模型研究

羅月童， 孫 靜， 陳 韜

（合肥工業大學計算機與信息學院VCC研究室，安徽 合肥 230009）

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

虛擬導游是虛擬人[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[6]和運動控制技術[7]已經比較成熟，《最終幻想》、《黑客帝國》、《青娜》、《指環王II》等動畫電影就是力證。但關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雜。

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

圖1 基于領域知識的行為模型

1 感知器

行為模型的本質就是感知外界信息并做出反應——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據庫查詢的視覺模型。和基于渲染的視覺模型相比，基于數據庫查詢的視覺模型具有速度快、易于實現等優點，所以本文以基于數據庫查詢的視覺模型為基礎，發展虛擬導游的感知器。

導游的職責是帶領游客在景區游覽并對著名景點進行解說，所以虛擬導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。在加入虛擬導游、虛擬游客的智能虛擬旅游場景中，虛擬導游除了能夠感知景點等靜態對象，還應該能夠感知游客和導游等運動對象，從而做出避讓等動作以避免不同對象之間發生碰撞。

為了方便虛擬導游感知景點及其他導游，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 記錄與該景點相關的信息，如解說詞、解說該景點時虛擬導游的動作特點。

· 感知觸發點 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“感知觸發點”。

· 感知優先級 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域，通過設置感知優先級來解決這種沖突。

將上述信息保存到數據庫中，形成虛擬旅游場景語義數據庫，虛擬導游通過查詢該語義數據庫完成對場景的感知。如圖2中，設置虛擬導游半徑為d的外包球，實時檢測場景中有哪些感知觸發點位于虛擬導游外包球內，再根據其感知優先級決定虛擬導游將感知到哪一個對象，圖2中景點A、景點B感知觸發點均位于虛擬導游外包球內，景點A感知優先級低于景點B，那么虛擬導游將感知到景點B，進而對B進行解說及觸發一系列動作。

2 領域知識

虛擬導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，二是導游這一特定群體的行為特點。本文以領域知識——導游行為規則描述導游的行為特點。

導游行為規則庫中的規則指明了規則的激活條件、規則的觸發結果及目標轉移類型。規則并不是孤立存在的，而是一定行為目標下所遵循的規則，不同行為下的規則也是不同的，如導航行為下的規則與休息行為下的規則是不同的。本文提出“目標－規則”的概念，目標即為一定行為下導游的目的，也可以說是一種行為下導游所處的狀態，規則為該狀態下導游遵循的狀態轉移原則，感知模型的感知結果或突發事件為規則提供了激活條件，而規則的觸發結果則決定了導游的下一步行為，也既為決策器的決策結果；GOTO與GOSUB兩種目標轉移類型是為了實現目標的嵌套而設定的兩種不同的行為轉移方式，如導航行為下遇到知名景點時導游狀態由導航變為對景點的解說，但此時導航并沒有結束，對景點的解說只是導航目標下的一個子目標，因此GOSUB類型表明所轉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移，如由導航行為結束后轉為休息狀態，此時導航目標已結束。如表1所示為導游部分典型行為的“目標－規則”。在此基于導游領域知識建立的“目標－規則”庫將作為導游行為決策推理的依據。

圖2 虛擬導游感知過程示意圖

表1 虛擬導游典型行為及規則

3 決策推理器

虛擬導游行為模型如何根據自身行為規則及感知模型感知到的結果完成行為的選擇、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，首先建立棧結構，用于存儲目標及其規則，稱為目標棧，當開始一個目標時即將目標及其規則入棧，通過在一定時間步下實時檢測當前行為下有無被觸發的規則，若有則將轉移到下一個目標，從而實現目標的轉移：若被觸發的規則為GOTO類型，則當前目標結束，并將當前目標及其規則彈出目標棧；若為GOSUB類型則當前目標及規則并不出棧，而將被觸發的規則標記為已觸發，使它不會在當前目標的堆棧上時被再次觸發。

一般復雜的行為由一系列基本動作構成，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、結束finish三個階段。一個目標動作經常需要為緊接著的更新做好準備。在決策過程中，Start方法會反復被調用，直到它返回false， start返回false時表明目標已經被初始化之前，目標動作的update動作不會被調用，而其規則也不會被檢測。finish方法也是類似的，當規則被觸發，一個目標轉移走時，finish方法被調用，在其結束前，控制實際上還沒轉移，這給了目標一個清理的機會，讓它在轉移控制前進入一個有實際意義的狀態，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－規則”在目標棧的輔助下完成導游行為的選擇、激活、終止，并實現動作的執行，從而有效地實現導游的行為模擬。

4 實驗結果

本文建立的虛擬導游行為模型成功應用于三河古鎮實時漫游系統[8]中導游的化身。圖4所示為虛擬導游在導航行為下部分效果截圖。導游在漫游過程中，根據感知模型對周圍環境進行感知，并由決策器決策并規劃下一步行為動作，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，導游將做出與游客告別的基本動作。

圖4 虛擬導游行為模型部分實驗截圖

5 結 論

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

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

[1]劉 洋, 魯東明, 刁常宇. 敦煌285窟多媒體集成虛擬展示[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2004,16(11): 1528-1534.

[2]蔣文燕, 朱曉華, 陳 晨. 虛擬旅游研究進展[J]. 科技導報, 2007, 25(14): 53-57.

[3]孫 靜, 羅月童, 儲昭輝. 基于計算機動畫的虛擬導游技術及其應用研究[C]//計算機技術與應用進展2008, 2008: 80-83.

[4]羅 冠, 郝重陽, 張 雯. 虛擬人技術研究綜述[J].計算機工程, 2005, 31(18): 7-9.

[5]Stephane Donikian. HPTS: A behavior modeling language for autonomous agents [C]//AGENTS’ 01,Montreal, Quebec, Canada, 2001: 401-408.

[6]王兆其. 虛擬人合成研究綜述[J]. 中國科學院研究生院學報, 2000, 17(2): 89-98.

[7]徐 孟, 孫守遷, 潘云鶴. 虛擬人運動控制技術的研究[J]. 系統仿真學報, 2003, 15(3): 338-346.

[8]徐 偉, 孫 靜. 基于 Ogre的虛擬三河古鎮漫游系統[C]//計算機技術與應用進展2008, 2008: 44-48.