角色六感交互神經感應器設計技術

羅江林 王青青 朱妹麗

摘要：角色的表情與動作是塑造人物性格特征的重要手段，為了增加角色個體智能度，提高動畫質量，本文設計了角色六感交互神經感應模型。該模型利用云端獲取角色所處的環境信息數據，利用視覺圖像獲取感知信息，然后采用瞬時記憶、短時記憶、長時間記憶共同對信息進行分析處理，以提高決策器準確度。實驗效果表明本文設計的角色六感交互神經感應模型具有一定的可行性。

關鍵詞：感知交互模型；視覺感知；避碰感知

中圖分類號：TM346 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0163-02

在動畫智能生產的過程中將克服和解決現行動畫生產周期長、效率低、質量糙等問題，并且動畫在線智能生產技術將人工智能和虛擬現實技術有機的結合在一起，在虛擬現實環境中智能角色之間能夠交互，能夠針對人的行為動作實時反應。對角色的六感交互神經感應技術研究的過程中，國內外的研究機構、學者也取得了很多研究成果，卡內基梅隆大學研發的Oz系統中，通過精神模型將感官得到的信息傳遞給虛擬環境中的角色，從而驅動角色的情緒和智能度。美國紐約大學計算機媒體研究室建立的Improv系統通過動畫引擎建立了試試的基于行為的人體動畫，虛擬人對周圍環境的適應還是比較呆板的，并且也沒有情緒等的感知。國內的研究機構相較于國外，在角色感知建模方面發展較晚，中國科學院計算機技術研究所的王兆其等人開發了JointMotion系統，通過傳感器和數據手套來確定角色的不同關節的狀態[1]。浙江大學的CAD&CG;國家重點實驗室的潘志庚等人通過通用行為表來模擬角色的控制[2，3]。

傳統的角色感知僅僅具有推理、決定、計劃和學習等能力，并且表達情感的方式比較單一。而本文研究的角色六感交互神經感應模型能夠模擬人的感官感受，感受來自虛擬環境的各種刺激，包括光、聲音、氣味、溫度等等，這些聽覺、視覺、味覺、觸覺等感知信息都刺激不同的情感，進而觸發不同的表情與動作。

1 角色六感交互神經感應模型的系統結構

在進行角色六感交互神經感應模型設計時，就是需要設計一個能夠適應環境中信息的多樣性以及信息更新的即時性，并且角色能夠通過感官來獲取所需的環境的信息，并對信息進行處理、加工，在認知決策后，做出相應的行為。本文設計的角色六感交互神經感應模型的總體架構如圖1所示。

感知是動畫中角色與虛擬環境進行信息交互的重要手段，建立角色的感應模型是進行決策的前提。智能體角色的感知主要是人類在現實世界對外界或者自己的感知在虛擬世界中的再現，通過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，然后利用認知決策機制判斷出角色的行為。在設計角色六感交互神經感應模型時應具有的功能如下：

（1）角色應該能夠對前行路徑上的信息進行感知。如果想要角色在虛擬的世界里如同人類一樣正常的行走，需要對影響角色前行路上的物體信息進行感知，即對角色視覺可視范圍內能夠影響其前行的信息進行感知。

（2）角色不僅能夠感知到物體的存在，還得獲取更多的信息。在進行動畫生產的過程中，可以通過環境信息知識模型庫對物體的屬性、位置等信息進行感知，這樣才能判決出下一步的行為。

（3）角色能夠進行避碰感知。角色通過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。應該可以進行避免檢測。

2 構建角色六感交互神經感應模型的關鍵技術

2.1 視覺圖像提取

感知是角色與虛擬環境之間進行信息交互的重要手段，是進行角色建模的根本，是角色的下一步決策的前提。人類的感知非常豐富，有視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等，從目前研究來看，視覺是獲取信息的主要途徑，80%的環境信息都是來自于視覺。

通過研究發現，現在大多數的視覺模型是綜合視覺模型和幾何視覺模型。前者是通過渲染和數據庫查詢進行建模，是通過渲染模型的視覺機制來獲取實體間的相對位置，這種方式在處理大量角色的虛擬場景中時效性低；后者是通過幾何算法來設計多種信息的過濾器從而模擬人體視覺功能，并且從大數據庫中查詢出物體信息，這種方式能夠準確的反映人的視覺感知信息。

2.2 碰撞檢測

當角色在虛擬環境中進行行進時，會與場景中的其他物體發生碰撞或者穿插，因此，在虛擬環境中，碰撞檢測是增強真實感和沉浸感的重要手段之一。碰撞檢測感知器的輸入信息會經過視野感知器進行處理，對在角色視野范圍內的物體進行碰撞檢測，從而發現障礙物，并且為角色繞過障礙物提供動態路徑規劃。其碰撞避免過程示意圖如圖2所示。

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

2.3 視覺記憶

記憶是角色具有智能性的一個重要標志，在視覺模型中加入記憶模型，記憶模型分為瞬時記憶模塊、短時記憶模塊和長時間記憶模塊，在每一個模塊中都能進行編碼、存儲和提取。

其中，瞬時記憶模塊主要是對感知器得到的信息進行過濾，將相關性較為弱的信息刪除掉；短時記憶模塊對感知到的新信息進行解釋和加工；長時間記憶模塊主要是對全局路徑進行規劃。

3 角色六感交互神經感應模型的實現

在設計感知模型時，要考慮虛擬環境對角色感知的影響，其設計六感交互神經感應模型如圖3所示。角色六感交互神經感應模型包括圖中的環境信息、視覺圖像提取、虛擬感知器和視覺記憶。

整個感知模型的工作情況如下：通過云端獲取到角色所處的環境信息數據，然后通過視覺圖像提取得感知信息，并且傳遞到瞬時記憶模塊進行短暫的存儲，通過視野感知器的篩選，將冗余信息進行過濾，將感興趣的存儲到短時記憶模塊中，然后對信息進行加工和判斷，根據角色的意圖從長時間記憶模塊中選取相匹配的信息，然后送如行為決策模塊。最終在根據虛擬人意圖得到最終的決策，進行行為規劃和運動控制。

角色六感交互神經感應模型是構建在虛擬感知器建模技術基礎上，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感知器。

3.1 視野感知器

本文在設計視野感知器時，為了提高計算效率，將場景中的物體都包圍了一個矩形框，這樣在判斷物體是否可見，僅僅判斷矩形的8個頂點是否可見即可。在進行點的判斷時，首先要判斷點是否在人的視線范圍之內，其次判斷點是否被其他物體遮擋了。其示意圖如圖4所示。

3.2 碰撞檢測感知器

本文中的碰撞檢測感知器采用優化后的混合層次包圍盒結構[4]，如圖5所示。與傳統混合層次包圍盒樹比較而言，優化后的結構避免了中間層運算量的消耗，能夠有效提高。此外，在遍歷混合層次樹結構的時候，利用時空相關性減少包圍盒的檢測對數，進一步提高算法處理效率。

優化后的效率對比如表1所示。

4 結語

本文主要設計了一種角色六感交互神經感應模型，給出了感應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，對視野感知器與碰撞檢測感知器中算法進行了簡化與優化。

參考文獻

[1]趙建軍，魏毅，夏時洪，王兆其.基于物理得角色動畫合成方法綜述[J].計算機研究與發展，2015，52（12）：2886-2878.

[2]潘志庚，呂培，徐明亮，王鵬杰.低維人體運動數據驅動的角色動畫生成方法綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2013，25（12）：1775-1785.

[3]劉箴，潘志庚.虛擬人動機驅動的情緒模型研究[J].中國圖像圖形學報，2009，14（05）：773-781.

[4]劉淵，賈淵，姚博，等.一種改進的AABB包圍盒樹更新算法[J].兵工自動化，2008，27（12）：92-93.

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