角色六感交互神经感应器设计技术

罗江林 王青青 朱妹丽

摘要：角色的表情与动作是塑造人物性格特征的重要手段，为了增加角色个体智能度，提高动画质量，本文设计了角色六感交互神经感应模型。该模型利用云端获取角色所处的环境信息数据，利用视觉图像获取感知信息，然后采用瞬时记忆、短时记忆、长时间记忆共同对信息进行分析处理，以提高决策器准确度。实验效果表明本文设计的角色六感交互神经感应模型具有一定的可行性。

关键词：感知交互模型；视觉感知；避碰感知

中图分类号：TM346 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0163-02

在动画智能生产的过程中将克服和解决现行动画生产周期长、效率低、质量糙等问题，并且动画在线智能生产技术将人工智能和虚拟现实技术有机的结合在一起，在虚拟现实环境中智能角色之间能够交互，能够针对人的行为动作实时反应。对角色的六感交互神经感应技术研究的过程中，国内外的研究机构、学者也取得了很多研究成果，卡内基梅隆大学研发的Oz系统中，通过精神模型将感官得到的信息传递给虚拟环境中的角色，从而驱动角色的情绪和智能度。美国纽约大学计算机媒体研究室建立的Improv系统通过动画引擎建立了试试的基于行为的人体动画，虚拟人对周围环境的适应还是比较呆板的，并且也没有情绪等的感知。国内的研究机构相较于国外，在角色感知建模方面发展较晚，中国科学院计算机技术研究所的王兆其等人开发了JointMotion系统，通过传感器和数据手套来确定角色的不同关节的状态[1]。浙江大学的CAD&CG;国家重点实验室的潘志庚等人通过通用行为表来模拟角色的控制[2，3]。

传统的角色感知仅仅具有推理、决定、计划和学习等能力，并且表达情感的方式比较单一。而本文研究的角色六感交互神经感应模型能够模拟人的感官感受，感受来自虚拟环境的各种刺激，包括光、声音、气味、温度等等，这些听觉、视觉、味觉、触觉等感知信息都刺激不同的情感，进而触发不同的表情与动作。

1 角色六感交互神经感应模型的系统结构

在进行角色六感交互神经感应模型设计时，就是需要设计一个能够适应环境中信息的多样性以及信息更新的即时性，并且角色能够通过感官来获取所需的环境的信息，并对信息进行处理、加工，在认知决策后，做出相应的行为。本文设计的角色六感交互神经感应模型的总体架构如图1所示。

感知是动画中角色与虚拟环境进行信息交互的重要手段，建立角色的感应模型是进行决策的前提。智能体角色的感知主要是人类在现实世界对外界或者自己的感知在虚拟世界中的再现，通过传感器模拟出人类的六感功能，并将获取的信息传递给角色，然后利用认知决策机制判断出角色的行为。在设计角色六感交互神经感应模型时应具有的功能如下：

（1）角色应该能够对前行路径上的信息进行感知。如果想要角色在虚拟的世界里如同人类一样正常的行走，需要对影响角色前行路上的物体信息进行感知，即对角色视觉可视范围内能够影响其前行的信息进行感知。

（2）角色不仅能够感知到物体的存在，还得获取更多的信息。在进行动画生产的过程中，可以通过环境信息知识模型库对物体的属性、位置等信息进行感知，这样才能判决出下一步的行为。

（3）角色能够进行避碰感知。角色通过感官获取到物体的信息后，能够模拟人类的正常行走，从而避免了与其他角色的碰撞。应该可以进行避免检测。

2 构建角色六感交互神经感应模型的关键技术

2.1 视觉图像提取

感知是角色与虚拟环境之间进行信息交互的重要手段，是进行角色建模的根本，是角色的下一步决策的前提。人类的感知非常丰富，有视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等，从目前研究来看，视觉是获取信息的主要途径，80%的环境信息都是来自于视觉。

通过研究发现，现在大多数的视觉模型是综合视觉模型和几何视觉模型。前者是通过渲染和数据库查询进行建模，是通过渲染模型的视觉机制来获取实体间的相对位置，这种方式在处理大量角色的虚拟场景中时效性低；后者是通过几何算法来设计多种信息的过滤器从而模拟人体视觉功能，并且从大数据库中查询出物体信息，这种方式能够准确的反映人的视觉感知信息。

2.2 碰撞检测

当角色在虚拟环境中进行行进时，会与场景中的其他物体发生碰撞或者穿插，因此，在虚拟环境中，碰撞检测是增强真实感和沉浸感的重要手段之一。碰撞检测感知器的输入信息会经过视野感知器进行处理，对在角色视野范围内的物体进行碰撞检测，从而发现障碍物，并且为角色绕过障碍物提供动态路径规划。其碰撞避免过程示意图如图2所示。

图2-（1）表示主线和搜索线检测到碰撞，搜索线偏移，直到搜索线没检测到碰撞；图2-（2）表示主线检测到碰撞，搜索线没检测到碰撞，角色沿着 搜索线方向运动；图2-（3）表示主线没检测到碰撞，搜索线 与主线方法相同，角色沿着主线方向运动。

2.3 视觉记忆

记忆是角色具有智能性的一个重要标志，在视觉模型中加入记忆模型，记忆模型分为瞬时记忆模块、短时记忆模块和长时间记忆模块，在每一个模块中都能进行编碼、存储和提取。

其中，瞬时记忆模块主要是对感知器得到的信息进行过滤，将相关性较为弱的信息删除掉；短时记忆模块对感知到的新信息进行解释和加工；长时间记忆模块主要是对全局路径进行规划。

3 角色六感交互神经感应模型的实现

在设计感知模型时，要考虑虚拟环境对角色感知的影响，其设计六感交互神经感应模型如图3所示。角色六感交互神经感应模型包括图中的环境信息、视觉图像提取、虚拟感知器和视觉记忆。

整个感知模型的工作情况如下：通过云端获取到角色所处的环境信息数据，然后通过视觉图像提取得感知信息，并且传递到瞬时记忆模块进行短暂的存储，通过视野感知器的筛选，将冗余信息进行过滤，将感兴趣的存储到短时记忆模块中，然后对信息进行加工和判断，根据角色的意图从长时间记忆模块中选取相匹配的信息，然后送如行为决策模块。最终在根据虚拟人意图得到最终的决策，进行行为规划和运动控制。

角色六感交互神经感应模型是构建在虚拟感知器建模技术基础上，在感知模型中，有效的感知器不仅给行为模型提供信息，還能提高感知模型的工作效率。本文主要研究了视野感知器和碰撞检测感知器。

3.1 视野感知器

本文在设计视野感知器时，为了提高计算效率，将场景中的物体都包围了一个矩形框，这样在判断物体是否可见，仅仅判断矩形的8个顶点是否可见即可。在进行点的判断时，首先要判断点是否在人的视线范围之内，其次判断点是否被其他物体遮挡了。其示意图如图4所示。

3.2 碰撞检测感知器

本文中的碰撞检测感知器采用优化后的混合层次包围盒结构[4]，如图5所示。与传统混合层次包围盒树比较而言，优化后的结构避免了中间层运算量的消耗，能够有效提高。此外，在遍历混合层次树结构的时候，利用时空相关性减少包围盒的检测对数，进一步提高算法处理效率。

优化后的效率对比如表1所示。

4 结语

本文主要设计了一种角色六感交互神经感应模型，给出了感应模型框架与模型工作流程。为了有效提高该模型的工作效率，对视野感知器与碰撞检测感知器中算法进行了简化与优化。

参考文献

[1]赵建军，魏毅，夏时洪，王兆其.基于物理得角色动画合成方法综述[J].计算机研究与发展，2015，52（12）：2886-2878.

[2]潘志庚，吕培，徐明亮，王鹏杰.低维人体运动数据驱动的角色动画生成方法综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013，25（12）：1775-1785.

[3]刘箴，潘志庚.虚拟人动机驱动的情绪模型研究[J].中国图像图形学报，2009，14（05）：773-781.

[4]刘渊，贾渊，姚博，等.一种改进的AABB包围盒树更新算法[J].兵工自动化，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