虚拟导游的行为模型研究

罗月童， 孙 静， 陈 韬

（合肥工业大学计算机与信息学院VCC研究室，安徽 合肥 230009）

随着旅游业的发展，虚拟旅游也越来越受重视，虚拟现实等计算机技术的发展更进一步推动了虚拟旅游业的进步，如日本开发了虚拟东京，美国利用VR技术再现古罗马的Trajan广场，国内浙江大学开发的数字故宫、数字敦煌等[1]。但现有的多数虚拟旅游系统仅包含景色、建筑等视景信息[2]，缺少导游、游客、居民等生命体，而“一个出色的导游带来一次成功的旅游活动”、“祖国江山美不美，全凭导游一张嘴”等说法体现了导游在旅游活动中的重要地位，所以在虚拟旅游环境中加入虚拟导游[3]必能提高虚拟旅游系统的真实性和趣味性，从而推动虚拟旅游技术的发展。

虚拟导游是虚拟人[4]的一个特例，虚拟人的研究包括虚拟人几何建模、虚拟人运动控制及行为建模[5]三个方面，其中虚拟人的几何建模技术[6]和运动控制技术[7]已经比较成熟，《最终幻想》、《黑客帝国》、《青娜》、《指环王II》等动画电影就是力证。但关于通用行为模型的研究尚处于起步阶段[4]，这主要是因为人类行为本身非常复杂。

本文通过引入领域知识，发展针对虚拟导游的专用行为模型，从而降低了问题的难度，但同时又能满足发展智能虚拟导游的需求。本文提出如图1所示的专用行为模型——基于领域知识的行为模型，该行为模型包括感知器、领域知识库和决策推理器。

图1 基于领域知识的行为模型

1 感知器

行为模型的本质就是感知外界信息并做出反应——输出合适的行为，所以感知外界信息是行为模型的重要组成部分。在真实世界中，人类的感知包括视觉、听觉、味觉、嗅觉等，但研究表明人类获取的环境信息80%来源于视觉，在旅游中通过视觉获取的信息就更多，所以本文仅考虑视觉感知。虚拟视觉模型一般分为两类：基于渲染的视觉模型和基于数据库查询的视觉模型。和基于渲染的视觉模型相比，基于数据库查询的视觉模型具有速度快、易于实现等优点，所以本文以基于数据库查询的视觉模型为基础，发展虚拟导游的感知器。

导游的职责是带领游客在景区游览并对著名景点进行解说，所以虚拟导游的感知器要能够感知虚拟场景中的景点并获取景点的信息。在加入虚拟导游、虚拟游客的智能虚拟旅游场景中，虚拟导游除了能够感知景点等静态对象，还应该能够感知游客和导游等运动对象，从而做出避让等动作以避免不同对象之间发生碰撞。

为了方便虚拟导游感知景点及其他导游，本文提出语义虚拟旅游场景的概念，在虚拟旅游场景中添加语义信息——为景点、虚拟导游、虚拟游客等对象附加以下信息：

· 语义信息 记录与该景点相关的信息，如解说词、解说该景点时虚拟导游的动作特点。

· 感知触发点 因为景点通常比较大，不便于感知器进行检测，所以需要选择一个具有代表性的“点”来表示景点以便于检测，称这个点为“感知触发点”。

· 感知优先级 在景点比较密集时，可能有多个景点或人物同时进入感知区域，通过设置感知优先级来解决这种冲突。

将上述信息保存到数据库中，形成虚拟旅游场景语义数据库，虚拟导游通过查询该语义数据库完成对场景的感知。如图2中，设置虚拟导游半径为d的外包球，实时检测场景中有哪些感知触发点位于虚拟导游外包球内，再根据其感知优先级决定虚拟导游将感知到哪一个对象，图2中景点A、景点B感知触发点均位于虚拟导游外包球内，景点A感知优先级低于景点B，那么虚拟导游将感知到景点B，进而对B进行解说及触发一系列动作。

2 领域知识

虚拟导游的行为主要取决于两个方面的因素：一是感知器从虚拟场景中所获取的信息，二是导游这一特定群体的行为特点。本文以领域知识——导游行为规则描述导游的行为特点。

导游行为规则库中的规则指明了规则的激活条件、规则的触发结果及目标转移类型。规则并不是孤立存在的，而是一定行为目标下所遵循的规则，不同行为下的规则也是不同的，如导航行为下的规则与休息行为下的规则是不同的。本文提出“目标－规则”的概念，目标即为一定行为下导游的目的，也可以说是一种行为下导游所处的状态，规则为该状态下导游遵循的状态转移原则，感知模型的感知结果或突发事件为规则提供了激活条件，而规则的触发结果则决定了导游的下一步行为，也既为决策器的决策结果；GOTO与GOSUB两种目标转移类型是为了实现目标的嵌套而设定的两种不同的行为转移方式，如导航行为下遇到知名景点时导游状态由导航变为对景点的解说，但此时导航并没有结束，对景点的解说只是导航目标下的一个子目标，因此GOSUB类型表明所转向的行为目标是当前目标的子目标，当前目标并没有真正完成，而GOTO类型则表示目标的完全转移，如由导航行为结束后转为休息状态，此时导航目标已结束。如表1所示为导游部分典型行为的“目标－规则”。在此基于导游领域知识建立的“目标－规则”库将作为导游行为决策推理的依据。

图2 虚拟导游感知过程示意图

表1 虚拟导游典型行为及规则

3 决策推理器

虚拟导游行为模型如何根据自身行为规则及感知模型感知到的结果完成行为的选择、激活及终止，也即如何完成行为的决策推理过程。本文通过建立目标栈辅助行为决策推理，如图3中，首先建立栈结构，用于存储目标及其规则，称为目标栈，当开始一个目标时即将目标及其规则入栈，通过在一定时间步下实时检测当前行为下有无被触发的规则，若有则将转移到下一个目标，从而实现目标的转移：若被触发的规则为GOTO类型，则当前目标结束，并将当前目标及其规则弹出目标栈；若为GOSUB类型则当前目标及规则并不出栈，而将被触发的规则标记为已触发，使它不会在当前目标的堆栈上时被再次触发。

一般复杂的行为由一系列基本动作构成，为了增强行为动作的逼真性，本文将行为细分为开始start、更新update、结束finish三个阶段。一个目标动作经常需要为紧接着的更新做好准备。在决策过程中，Start方法会反复被调用，直到它返回false， start返回false时表明目标已经被初始化之前，目标动作的update动作不会被调用，而其规则也不会被检测。finish方法也是类似的，当规则被触发，一个目标转移走时，finish方法被调用，在其结束前，控制实际上还没转移，这给了目标一个清理的机会，让它在转移控制前进入一个有实际意义的状态，从而避免了行为的失真。决策推理流程如图3所示。该推理机制基于“目标－规则”在目标栈的辅助下完成导游行为的选择、激活、终止，并实现动作的执行，从而有效地实现导游的行为模拟。

4 实验结果

本文建立的虚拟导游行为模型成功应用于三河古镇实时漫游系统[8]中导游的化身。图4所示为虚拟导游在导航行为下部分效果截图。导游在漫游过程中，根据感知模型对周围环境进行感知，并由决策器决策并规划下一步行为动作，如当感知到知名景点时，将走到待介绍景点处，做出抬手、摆动头部等基本动作，配合音频对景点进行介绍；如感知到其他运动着的人物，则绕道行走；在到达目的地后，导游将做出与游客告别的基本动作。

图4 虚拟导游行为模型部分实验截图

5 结 论

在虚拟旅游场景中加入智能虚拟导游能提高虚拟旅游系统的真实性和趣味性，行为模型是实现智能虚拟导游的关键技术。本文提出了基于领域知识的虚拟导游行为模型，对感知器、领域知识和决策推理器都进行了深入的研究，并将研究成果应用于三河古镇虚拟旅游系统，取得了较好的效果。

但本文采用基于数据库的虚拟视觉模型，对模型的遮拦等问题的处理效果不理想，而且关于领域知识的归纳总结也有待进一步提高，这些都是今后进一步改进的方向。

[1]刘 洋, 鲁东明, 刁常宇. 敦煌285窟多媒体集成虚拟展示[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2004,16(11): 1528-1534.

[2]蒋文燕, 朱晓华, 陈 晨. 虚拟旅游研究进展[J]. 科技导报, 2007, 25(14): 53-57.

[3]孙 静, 罗月童, 储昭辉. 基于计算机动画的虚拟导游技术及其应用研究[C]//计算机技术与应用进展2008, 2008: 80-83.

[4]罗 冠, 郝重阳, 张 雯. 虚拟人技术研究综述[J].计算机工程, 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. 虚拟人合成研究综述[J]. 中国科学院研究生院学报, 2000, 17(2): 89-98.

[7]徐 孟, 孙守迁, 潘云鹤. 虚拟人运动控制技术的研究[J]. 系统仿真学报, 2003, 15(3): 338-346.

[8]徐 伟, 孙 静. 基于 Ogre的虚拟三河古镇漫游系统[C]//计算机技术与应用进展2008, 2008: 44-48.