浅谈基于人工智能的虚拟环境研究

浅谈基于人工智能的虚拟环境研究

高法金

(山东工商学院信息与电子工程学院山东烟台 264005)

[摘要]从90年代初开始在全世界范围内形成了对虚拟环境(VE)的研究热潮，,在实时图形绘制算法、开发工具、分布式VE、实验性系统等诸多方面取得了令人瞩目的研究成果。VE技术除在空间技术、远程操纵、娱乐等获成功外，应用己扩展到建筑设计、虚拟制造、可视化、医学和教育等领域。本文对智能虚拟环境这一新的交叉课题进行综述, 并对其中的关键技术问题进行了讨论。介绍了智能虚拟环境的建模方法。

[关键词]人工智能；IVE；虚拟环境；计算机图形

Study of Intelligent Virtual Environment

Abstract: Intelligent virtual environment (IVE) is the integration of virtual reality and artificial intelligence/artificial life. The study of IVE has attracts great interest recent years. In this paper, we present an overview of the research and development of IVE, and discuss in detail on key techniques. The modeling ways of IVE is also introduced in the paper.

Key words: Artificial intelligence, IVE, virtual environment, Computer graphics

1. 引言

虚拟环境用于模仿真实世界中的场景，场景中物体的属性也是根据物理世界中的相应物体决定的，就现有的VE系统(如建筑漫游、虚拟游览、虚拟手术等)而言，大多数都采用静态的三维场景，场景中的物体是静态的、被动的、无生命的。[1]然而，在真实世界的场景中，很多对象是有生命的，为了更逼真地模仿真实世界，使得参加的用户具有沉浸感，在虚拟世界中应根据需要添加必要的有生命的对象，形成一个智能虚拟环境(IVE)。

IVE是虚拟环境和人工智能／人工生命(Artificial Life，简称Alife[2])两种技术的结合。在这种环境中，有生命的对象用智能代理(Agent)实现，VE中代表用户的化身(Avatar) 也用智能Agent表示。在有多个用户的分布式VE中，多个代表用户的Avatar之间会进行交互，Agent和其它对象也要进行交互。IVE是一个交叉学科研究课题，它涉及多个不同学科，包括计算机图形、虚拟环境、人工智能/人工生命、仿真、机器人等。该项技术的研究将有助于开发新一代具有行为真实感的实用的虚拟环境，支持分布式虚拟环境中的交互协同工作。

2. 相关研究工作

把VE和AI/ALife结合起来开展IVE的研究工作目前还处于起步阶段。在1998年的第十三届欧洲AI大会上，举办了全世界第一个IVE方面的研讨会，来自VE和AI/ALife两方面的研究人员对IVE 这一新兴课题进行了讨论。在1999年，举行了“智能虚拟Agent”的研讨会。

国内多个单位在AI/ALife和VE两方面虽然都取得过很多重要的研究结果，但在把两者结合起来进行研究方面还仅处于探索阶段，长沙国防科技大学、南京大学、浙江大学等单位对VE中的行为构模和多Agent方法进行了初步研究。[3]哈尔滨工业大学开展了虚拟人面部行为的合成的研究。[4]

IVE的研究内容包括以下几点：IVE系统的结构和知识表示智能Agent技术；环境中Avatar和虚拟生物的构模方法；IVE中的人体动画技术；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。

3.智能虚拟环境系统结构

可以把IVE系统看成是由一组有生命特征的对象组成的一个虚拟世界，这些对象具有一定的智能性，并且能够交互，这里的对象可以是环境中本来就有的对象，可以是虚拟人、虚拟生物等，也可以是登录到系统的用户（用一个代表用户的图形化身Avatar表示）。高级概念表示层将上一层传来的命令翻译成为物理表示层具体的对象的变化，同时将物理表示层中的状态变化转为有意义的知识表示传递给Agent层进行决策；物理层主要存放几何、纹理信息。这些对象在实现时用Agent来表示。

4.关键技术

在IVE中要解决的关键技术问题包括：

（1）具有复杂行为和生命特征的对象构模方法。IVE系统可以采用面向对象的方法来维护和组织场景，每种对象有不同的几何属性、行为及生命特征。这样便于场景的管理，使系统便于扩充，增加新的对象类型。

为了逼真地刻画场景中的对象，针对不同对象，需综合运用多种构模方法，例如，对于无生命的动画对象，可以采用基于物理或动力学的构模方法；而对于有生命和复杂行为特征的对象，则需要采用基于行为和认知的构模方法。对象的物理模型可以使用交互式基于图像的构模方法获取，即使用计算机视觉技术抽取虚拟物体的形状和纹理。

（2）面向IVE的人体动画。在IVE中，用户与环境或用户之间的交互方式很大程度上决定了用户对系统的印象，人体动画技术就显得非常重要，它必须符合客观世界中人的行为习惯。通常有两种解决方法，一是建立庞大的人体姿势库，这种方式在初期可以很快的解决问题，但是缺乏灵活性，人的动作很多，且动作之间的组合方式同样很多，建立包含任何人体姿势的数据库是不可能的。另外一种方式是研究人体的运动规律，从运动学、动力学角度出发来研究人体，机器人学在这方面有很多研究成果，设计人体动画的生成算法虽然初期很困难，但是，由于它可以提供高层参数对动画进行控制，可以生成很好的行为动画。

（3）智能生命的模拟。针对具体VE系统的实际情况，确定选用的AI/ALife技术，例如用多Agent方法来描述和实现整个系统的结构；用神经网来训练代表用户的Avatar，使其能够进行自学习并具有一定的智能；使用模糊认知图(FCM)来描述虚拟生物的动态不确定行为并指导它们的决策。

使用ALife中的认知构模方法，对VE中的虚拟生物的形体和神经系统进行分别描述，从而可以综合利用人工智能中的知识表示、推理和规划等技术控制虚拟生物的活动，进而保证高度的行为真实感。传统的人工智能规划技术由于本质上的搜索特性，很难满足虚拟环境实时性的要求，可以引进实时搜索算法对其进行改造，同时，利用栈结构来存储动作，对规划出的动作也进行实时评价来满足虚拟环境要求。

（4）图形实时绘制。在IVE中，由于有多个有生命的对象和Avatar，多个对象和Avatar相互之间进行交互，这将大大增加计算量，从而使得实时图形绘制更难于实现。为了增强环境的真实感，引进多分辨率仿真方法，这里的多分辨率有两方面的含义，一种是对象的几何表示，另一种是指对象的行为。为了保证实时仿真，根据允许的时间选择对象的几何表示和仿真行为的分辨率，从而降低用户的等待时间。

使用多种加速图形绘制技术来保证系统的时性真实感；通过可见性判断，尽可能不绘制不可见的对象；对不重要的图形对象使用几何简化模型来绘制，也可以把远处的对象用纹理表示。目前很多机器支持硬件纹理映射操作，但是当纹理图像很大时，频繁的纹理缓冲区倒进倒出操作严重影响速度。为此，我们提出把纹理图像分为彩色信息和亮度信息，对彩色信息和亮度信息进行粗采样，再合并，从而形成具有不同细节层次的纹理图像，根据需要选用低分辨率图像，从而可以大大提高速度。

（5）虚拟环境中的智能人-机／人-人交互。虚拟环境技术充分集成了三维图形技术、先进的显示技术、跟踪技术、输入技术、触觉反馈技术和虚拟声音合成技术等，企图为用户提供一种更加自然高效的人机交互方式。虚拟环境技术的出现彻底地改变了传统桌面的人机交互理论与交互技术，使人们可以完全自由地沉浸在虚拟环境中以非常自然的方式直接与各类信息进行交互。但是由于软硬件

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