CN106940594B - 一种虚拟人及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于虚拟现实领域，提供了一种虚拟人及其运行方法，包括：规划单元，行为集合，执行单元，状态单元，以及流集合；所述规划单元用于根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组，并发送给执行单元；所述执行单元与所述行为集合及所述状态单元相连，用于确定执行二元组，并执行任务；行为集合，用于存储所述任务包含的行为；流集合用于存储所述虚拟人包含的流；状态单元，用于提供当前状态；本发明提供的虚拟人可以主动感知所处虚拟环境的当前状态使其能够像真人在真实环境中一样，根据其所要执行的任务自主地进行决策所要实施的行动。

Description

一种虚拟人及其运行方法
技术领域
本发明实施例属于虚拟现实领域，尤其涉及一种虚拟人及其运行方法。
背景技术
虚拟人从应用功能上可分为两种，一种是数字虚拟人或者叫数据虚拟人，它是主要用于人类生物特性的研究；另一种是智能虚拟人，主要是人类智能的模拟和仿真的研究，是人工智能的一个主要应用分支，用于虚拟形象或虚拟角色的设计，在文化创意作品、虚拟演练和计算机仿真系统中具有广泛的应用。
Bowman等人在IRVEs中提出了语义对象(semantic object)概念，语义对象是指虚拟场景中那些用户可感知的物体或对象能够根据一定的规则对交互事件进行响应和反馈，并执行特定交互任务。一个语义对象由图形构件(graphics component)、行为构件(behavior component)、规则构件(rule component)、交互构件(interaction component)和应用构件(application component)构成。该结构较全面地给出了通用性的语义对象，但缺少对象智能化的核心内容。
李斌等人提出了一个能够刻画智能体多种特征，尤其是自主性的智能体结构。但该结构的重点是智能化，缺少虚拟人的特色体现，不能直接应用于虚拟人的整体行为过程。其他一些适用于机器人的体系结构，重点是应用于真实世界的真实环境，其交互方式与交互内容与虚拟环境不同，不能直接应用于虚拟环境中虚拟人的体系结构。
故，需要一种新的虚拟人体系结构。
发明内容
本发明实施例提供了一种虚拟人其运行方法，旨在解决现有技术中对虚拟人的处理不能将虚拟形象的特色与智能化相结合，虚拟人结构的交互特性不能应用到虚拟世界的问题。
本发明实施例的第一方面，提供一种虚拟人，所述虚拟人包括：规划单元，行为集合，执行单元，状态单元，以及流集合；
所述规划单元与所述执行单元相连，用于接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组，并发送所述规划三元组给执行单元；
所述执行单元与所述行为集合及所述状态单元相连，用于接收所述规划三元组，并根据所述规划三元组查找所述行为集合及状态单元，确定执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务；
所述行为集合，用于存储所述任务包含的行为，所述流集合用于存储所述虚拟人包含的流；
所述状态单元，用于提供当前状态，所述当前状态包括当前环境状态及当前自身状态；
本发明实施例的第二方面，提供一种虚拟人运行方法，所述方法包括：
接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组；
根据所述规划三元组，确定与所述任务对应的执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务；
根据所述任务的执行所引起的流，更新当前状态，所述当前状态包括当前环境状态及当前自身状态。
本发明实施例中提供的虚拟人包含规划单元，状态单元，行为集合，执行单元及流集合，规划单元作为控制中心，在接收到用户命令后，将命令中包含的任务进行解析后，发送到执行单元；执行单元根据行为集合中与所述任务对应的行为，以及状态单元中感知器主动感知到的当前状态，执行所述任务对应的行为，根据执行行为引起的流更新所述状态单元。本发明实施例中虚拟人可以主动感知所处虚拟环境的当前状态，规划单元解析用户命令中的任务，使其能够像真人在真实环境中一样，根据其所要执行的任务自主地进行决策所要实施的行动；状态单元的更新可以使虚拟人分析其行动的效果积累工作经验增强其进一步执行任务的能力。本发明实施例建立了高度自主性的虚拟人，实现了虚拟人形象特色与智能化的结合，这些虚拟人将按照交互指令完成相应的任务，在虚拟世界中建立一个虚拟的生态环境。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种虚拟人的结构图；
图2是本发明第一实施例提供以有限状态机的方法实现室内追击行为的规划图；
图3是本发明第一实施例提供的关于复杂行为的控制模型图；
图4是本发明第二实施例提供一种虚拟人运行方法流程图；
图5是本发明第二实施例提供一种虚拟人运行过程的示意图；
图6是本发明第二实施例提供一种虚拟人的算法构成图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，规划单元作为控制中心，在接收到用户命令后，将命令中包含的任务进行解析后，发送到执行单元；执行单元根据行为集合中与所述任务对应的行为，以及状态单元中感知器主动感知到的当前状态，执行所述任务对应的行为，根据执行行为引起的流更新所述状态单元。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
在对本发明具体实施例进行说明之前，首先介绍几个概念：
流演算，Michael Thielscher在1998年提出的专门用于描述动态变化世界和智能主体行动推理的形式化方法：认为世界上任何状态的改变都可以看成是行动(action)的结果。流演算通过引入状态的概念来对情景演算进行扩展，同时采用前推(Progression)的推理机制，利用状态更新公理有效解决了框架问题的表示和推理问题。
流演算有4个基本概念：流(fluent)、动作(action)、状态(state)、情景(situation)，定义为型(sort)。流(fluent)表示物理世界中的对象随时间变化而变化的原子性质或状态；状态(state)表示某一时刻环境的快照，由对象的流合成；动作(action)是智能主体与环境的相互作用；情景(situation)表示一个可能的世界，是动作执行的结果，表示动作执行的一个历史。宏Holds(f,s)表明了流、情景和状态之间的联系，表示流f在情景s下成立，也就是f在该情景对应的实际状态State(s)下成立。
为了描述本实施例所述虚拟人，在流演算的基础上给出以下几个元素：
行为(b),等价于流演算中的一组动作的综合描述，是虚拟人为完成一个任务而执行的一个连续的、不可分的动作系列。这些动作表现为系统底层执行的模型动画片段。在行为的执行时需要一个前提条件，在行为运行时需要一定的运行条件，一个行为的执行意味着对环境产生某种程度的修改，因此，行为是行为演算的基本元素。在流演算中通过前提条件公理、流和状态转换公理来描述。一个智能体的各种行为构成该智能体的行为集合(B)。
规划(p),是指实现某个目标虚拟人所要执行的行为系列，可通过决策树、任务网络和有限状态机等方法来表示规划。一个智能体能够执行的各种规划构成它的规划集合(P)。
任务(t)，是智能体为实现一个目标要完成的具体工作，任务是规划的目的，即一个规划是为了完成一个指定的任务。一个智能体能够执行的各种任务构成该智能体的任务集合(T)。定义初始化函数Init(p,t)给出规划p中任务t的初始状态。
图1示出了本发明第一实施例提供的一种虚拟人的结构图，详述如下：
本发明实施例提供的一种虚拟人包括：规划单元11，行为集合12，执行单元13，状态单元14，以及流集合15；
规划单元11，与执行单元13相连，用于接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组，并发送所述规划三元组给执行单元13；
优选地，所述规划单元11具体包括：
用户指令接收模块，用于接收用户指令；
任务分解模块，用于将所接收的用户指令包含的任务分解为至少一个任务序列；
规划三元组确定模块，用于确定与所述任务序列对应的规划三元组，所述规划三元组由所述任务序列对应的规划、任务、状态组成；
规划三元组发送模块，用于发送所述规划三元组到执行单元。
优选地，所述规划单元11还包含一规则库，所述规则库用于提供任务的执行条件及约束条件
具体地，规划单元11是由规划p、任务t和状态z组成的三元组集合，可可表示为R(p,t,z)。规划单元作为虚拟人的控制中心，首先由用户指令接收模块接收用户发出的指令，并对所接收的用户指令进行解析；由于用户指令包含的任务往往需要至少一个步骤完成，因此，由任务分解模块将用户指令包含的任务分解为至少i个任务序列，i为正整数，与每个任务序列对应，可表示所述任务序列序号。任务序列序号仅用于区分任务序列，不表示任何先后顺序关系。例如用户发出射击指令，可以将此射击指令分解为：准备射击、查看枪内是否有子弹、无子弹时给枪装子弹、射击等不同的任务序列。然后确定每个任务序列对应的由规划规划p、任务t和状态z组成的三元组；不同任务序列对应的规划三元组可表示为Ri(p,t,z)；
其中，规划p优选用有限状态机的方法表示，有限状态机法是一种通过受限方式来保存历史的有效方式，采用此方法不仅可以形成动作序列，还能循环或条件执行，目前的商业引擎通常都提供了有限状态机的实现，因此，采用有限状态机来表示规划，每个规划都是一个有关状态及状态转换的结构，构成一个有向图，其中状态为节点，转换为边。每个任务序列对应的规划三元组确定后由规划三元组发送模块发送到执行单元13。
执行单元13与所述行为集合12及所述状态单元14相连，用于接收所述规划三元组，并根据所述规划三元组查找所述行为集合及状态单元，确定执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务；
优选地，所述执行单元13具体包括：
规划三元组接收模块，用于接收所述规划单元11发送的所述规划三元组；
执行二元组确定模块，用于查找所述规划三元组中所述任务包含的行为，及所述状态单元14中与所述任务对应的当前状态，确定执行二元组。
执行模块，用于根据执行二元组，以当前环境状态为条件，以当前自身状态为前提执行所述任务包含的行为。
具体地，执行单元13接收到所述规划单元11发送的所述规划三元组之后，查找所述规划三元组中所述任务包含的行为及所述状态单元14中与所述任务对应的当前状态，确定所要执行的行为及执行所述行为时对应的状态，所述执行二元组包括：行为，状态，可表示为E(b,z)。所述执行二元组E(b,z)表示行为b在状态z中发生。其中b一定是规划三元组R(p,t,z)中的一个元素，是虚拟人执行规划p对完成任务t的动态过程，表示智能体的当前状态，其执行过程以环境状态为条件，以内部自身状态为前提。
行为集合12，用于存储所述任务包含的行为；流集合15用于存储所述虚拟人包含的流；
所述状态单元14，用于提供当前状态，所述当前状态包括当前环境状态及当前自身状态；
优选地，所述状态单元包含一感知器，所述感知器用于感知所述任务的执行引起的流，进而更新所述状态单元。
状态单元14通过感知器感知虚拟人所处的环境状态以及自身状态；具体地，感知器通过使用虚拟人的流集合15，进行流演算进而得到虚拟人的环境认知模型。
对于虚拟人待执行的特定任务t,任务t和规划p决定了虚拟人所处的环境，而任务t决定了虚拟人所处的情境，规划则决定了执行任务t所需的流。假设对于每个待执行任务序列的流的个数为n个，分别为f1…fn,在整个问题域的求解情境s中有m个影响解决方案的关键点，由宏State(s)得到该m个关键的状态为z1…zm,用fij表示每个待执行任务序列的流i(fi)在状态j(zj)时的结果。
一个行为b在状态z下可执行的前提条件可以表示为：
约束条件
这里
即在状态z中s个流fi(i＝1-s)成立,同时又满足一定的约束条件下，行为b可以在状态z下执行。
给出两个运算符“+”和“-”的宏定义如下：
由此，可以推出流演算的基本公理:
给出状态转换公理的形式为:
其中：为取非符号，“≡”为等价符，表示包含关系。
即行为b使得状态z中的m个流fi(i＝1-m)不成立,同时又新成立n个流gi(i＝1-n)。
下面基于有限状态机的规划方法详细描述虚拟人的流演算过程：
如图2给出的情景，虚拟人自主追击房间里的敌人。以虚拟人在房间外作为初始状态，房间外这个状态的流包括：追击虚拟人在房间外；敌人虚拟人在房间内；房间有门；房间对象有到达房门的路径等，流的设置根据问题域的要求可以增减。下面以图2到房间里追击敌人的规划为例说明上述各元素之间的关系，并给出规划的层次化有限状态机。
主状态机的规划是根据用户的任务要求，建立任务的总体规划，将任务的完成分为两个行为，即进入房间和击毙敌人。子状态机1细化了进入房间子任务的行为规划，子状态机2细化了击毙敌人子任务的行为规划。状态机机构和运行机制是按照流演算的方法建立的。每个圆圈表示环境的状态，它是由该问题域设定的相关对象的流组合运算而来，状态之间的有向线表示状态之间的转换，遵循状态更新公理。有向线的描述文字表示一个行为的执行。
本发明实施例的虚拟人所包含的规划单元，行为集合，执行单元，状态单元及流集合之间的关系，可用图2中一个子状态机的规划来说明，例如：子状态机2描述了完成击毙敌人子任务的行为规划，这里有：
任务t：击毙敌人；
状态z：虚拟人处于有效射程；z’：敌人死亡；z”：敌人逃脱，这里的敌人逃脱，应当是指敌人不是处于死亡状态，可能受伤或没有受伤；
行为b：开枪射击；b’：追击敌人；
流f和行为b分别作用于一个行为的开始状态和结束状态，流主要来自于环境感知，决定行为的外部条件，构成虚拟环境的状态。行为则是虚拟人为实现某个目标的主动实施，作用于外部环境，也改变虚拟人的内部状态。
对于一个复杂的行为b其自身可以设置一个基于流演算的内部控制结构，即行为控制执行基。如图3所示。这样形成一个层次化的流演算控制模型。
一个行为可以根据系统底层动画的实现通过一系列动作来实现，例如图3中给出的动作有：Shooting射击、LoadedGun装子弹(子弹上膛)、FindingBullets找子弹、LoadedInventory装到库存等动作；同时，有内部流：f1枪有子弹、f2库存有子弹、f3找到子弹等。设定该行为的初始状态为Zb0，则形成的智能体的内部状态和动作执行的前提条件公理：
Zb1＝Zb0+f1+f2；
Poss(Shooting,Zb1)≡Zb0+f1+f2；
Poss(LoadedGun,Zb2)≡Zb1-f1；
Poss(FindingBullets,Zb3)≡Zb2-f2；
Zb4＝Zb3+f3；
Poss(LoadedInventory,Zb4)≡Zb3+f3。
由流演算的“+”和“-”的宏定义得到如下的推理。
推理1.
(1)如果流f满足Holds(f,z)则有z-f+f＝z；
(2)对任意的流f和状态z有z+f-f＝z。
证明
首先证明(1),由条件f满足Holds(f,z)可知
由(1)的证明可知
如果则有z-f＝z0
令z＝z0+f则有z0+f-f＝z0
故，推论(2)成立。
由此形成动作执行的状态转换公理有：
本发明第一实施例中提供的虚拟人由规划单元作为控制中心，在接收到用户命令后，将命令中包含的任务进行解析后，发送到执行单元；执行单元根据行为集合中与所述任务对应的行为，以及状态单元中感知器主动感知到的当前状态，执行所述任务对应的行为，根据执行行为引起的流更新所述状态单元。本发明实施例中虚拟人可以主动感知所处虚拟环境的当前状态，规划单元解析用户的命令中任务，使其能够像真人在真实环境中一样，根据其所要执行的任务自主地进行决策所要实施的行动；状态单元的更新可以使虚拟人分析其行动的效果积累工作经验增强其进一步执行任务的能力。本发明实施例建立了高度自主性的虚拟人，实现了虚拟人形象特色与智能化的结合，这些虚拟人将按照交互指令完成相应的任务，在虚拟世界中建立一个虚拟的生态环境。
应理解，在本发明实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
实施例二：
图4示出了本发明第二实施例提供的一种虚拟人运行方法流程图，详述如下。
步骤S21,接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组；
优选地，所述步骤S21具体包括：
接收用户指令，将所接收的用户指令包含的任务分解为至少一个任务序列；
确定与所述任务序列对应的规划三元组，所述规划三元组由所述任务序列对应的规划、任务、状态组成。
步骤S22,根据所述规划三元组，确定与所述任务对应的执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务；
优选地，所述步骤S22具体包括：
查找所述规划三元组中所述任务包含的行为，及与所述任务对应的当前状态，确定执与所述任务对应的(行为，状态)执行二元组；根据所述执行二元组，以当前环境状态为条件，以当前自身状态为前提执行所述任务包含的行为。
优选地，所述确定与所述任务序列对应的规划三元组，具体为，通过查找规划库确定与所述任务序列对应的规划三元组。
步骤S23,根据执行所述任务引起的流，更新当前状态，所述当前状态包括当前环境状态及当前自身状态。
优选地，所述步骤S23具体为：通过感知器感知执行所述任务引起的流，进而更新当前状态。
下面通过图5在Unity引擎中实现一个虚拟人行走、开门的交互过程，从而说明虚拟人与周围环境的交互运行过程。
虚拟人接收到进入房间的任务，这里假定该房间有一个门。首先确定进入房间包含的任务序列及其对应的规则：人进屋的时候要开门，人进去以后要关门。根据这两条规则对虚拟人智能体形成如下的规划：当门没有开的状态下人进屋时先开门；当门打开的状态下人可以进屋；当人已经进屋了要关门。设计如下的流函数：mf1,人在屋内manInside。设计如下的行为函数：mb1，走向指定的目的地gotoDestination；mb2,休闲等待idleWaiting。对门智能体形成如下的规划：当门没有开的状态下有人走到门锁附近则需要先打开门；当门打开的状态下人进屋了要关门。设计如下的流函数：df1,有人在门锁附近manNearbylock；df2,门是打开的doorOpened。设计如下的行为函数：db1，开门openDoor；db2,关门closeDoor。
设计虚拟人确定执行二元组(b,z)后，执行相应的行为，它们是：
(gotoDestination(lock),
(gotoDestination(target),
doorOpened∧manInside)；
同样，使门通过Unity的触发区来控制,其实现过程为：
(closeDoor,doorOpened∧manInside)；
图6给出了在Unity引擎中虚拟人及环境中门的算法构成，manAgent实现虚拟人，doorAgent表示门，后面的复杂环境还需要给出的是一个房间roomAgent。这里使用触发区功能实现门的开关，以sendMessage的远程调用的方式，通知虚拟人的动和静。
本发明第二实施例中，虚拟人通过接收用户指令，将指令中包含的任务分解成若干个任务序列，然后确定所述任务序列对应的规划三元组，根据规划三元组确定任务包含行为及状态后执行任务序列所要执行的行为，并通过行为执行引起的流更新当前状态。本发明实施例中虚拟人可以主动感知所处虚拟环境的当前状态，规划单元解析用户的命令中任务，使其能够像真人在真实环境中一样，根据其所要执行的任务自主地进行决策所要实施的行动；状态单元的更新可以使虚拟人分析其行动的效果积累工作经验增强其进一步执行任务的能力。本发明实施例建立了高度自主性的虚拟人，实现了虚拟人形象特色与智能化的结合，这些虚拟人将按照交互指令完成相应的任务，在虚拟世界中建立一个虚拟的生态环境。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种虚拟人，其特征在于，所述虚拟人包括：规划单元，行为集合，执行单元，状态单元，以及流集合；
所述规划单元与所述执行单元相连，用于接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组，并发送所述规划三元组给执行单元；其中，所述规划三元组由所述任务序列对应的规划、任务、状态组成；
所述执行单元与所述行为集合及所述状态单元相连，用于接收所述规划三元组，并根据所述规划三元组查找所述行为集合及状态单元，确定执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务；其中，所述执行二元组表示为E(b,z)，其中b表示当前所要执行的行为，z表示执行所述行为时对应的当前状态；
所述行为集合，用于存储所述任务包含的行为，所述流集合用于存储所述虚拟人包含的流；
所述状态单元，用于提供当前状态，所述当前状态包括当前环境状态及当前自身状态；
所述状态单元还包含一感知器，所述感知器用于感知所述任务的执行引起的流，进而更新所述状态单元；
所述执行单元具体包括：
规划三元组接收模块，用于接收所述规划单元发送的所述规划三元组；
执行二元组确定模块，用于查找所述规划三元组中所述任务包含的行为，及所述状态单元中与所述任务对应的当前状态，确定执行二元组；
执行模块，用于根据执行二元组，以当前环境状态为条件，以当前自身状态为前提执行所述任务包含的行为。
2.根据权利要求1所述的虚拟人，其特征在于，所述规划单元具体包括：
用户指令接收模块，用于接收用户指令；
任务分解模块，用于将所接收的用户指令包含的任务分解为至少一个任务序列；
规划三元组确定模块，用于确定与所述任务序列对应的规划三元组；
规划三元组发送模块，用于发送所述规划三元组到执行单元。
3.根据权利要求1或2任一项所述的虚拟人，其特征在于，所述规划单元还包含一规则库，所述规则库用于提供任务的执行条件及约束条件。
4.一种虚拟人运行方法，其特征在于，所述方法包括：
接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组；其中，所述规划三元组由所述任务序列对应的规划、任务、状态组成；
根据所述规划三元组，确定与所述任务对应的执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务；其中，所述执行二元组表示为E(b,z)，其中b表示当前所要执行的行为，z表示执行所述行为时对应的当前状态；
根据执行所述任务所引起的流，更新当前状态，具体为：通过感知器感知所述任务的执行引起的流，进而更新当前状态；所述当前状态包括当前环境状态及当前自身状态；
所述根据所述规划三元组查找与所述任务对应的行为以及当前状态，确定执行二元组，并根据所述执行二元组执行任务，具体包括：
查找所述规划三元组中所述任务包含的行为，及与所述任务对应的当前状态，确定与所述任务对应的执行二元组；
根据所述执行二元组，以当前环境状态为条件，以当前自身状态为前提执行所述任务包含的行为；
所述根据所述任务的执行所引起的流，更新当前状态，具体为：
通过感知器感知所述任务的执行引起的流，进而更新当前状态。
5.根据权利要求4所述的虚拟人运行方法，其特征在于，所述接收用户指令，根据所接收的用户指令对其中包含的任务进行解析，得到与所述任务对应的规划三元组，具体包括：
接收用户指令，将所接收的用户指令包含的任务分解为至少一个任务序列；确定与所述任务序列对应的规划三元组。
6.根据权利要求5所述的虚拟人运行方法，其特征在于，所述确定与所述任务序列对应的规划三元组，具体为：通过查找规划库确定与所述任务序列对应的规划三元组。
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