第7卷第2期 智能系统学报 Vol.7 No.2 2012年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2012 D0I:10.3969/i.issn.16734785.201112011 网络出版t地址：htp://www.cnki.net/kcma/detail/23.1538.TP.20120416.0847.002.html 虚拟人情绪模型研究的现状和问题 刘箴，柴艳杰 (宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211) 摘要：情绪体验能够有效地提高虚拟现实系统用户的兴趣，虚拟人的情绪设计正成为构建虚拟环境的一项核心技 术，目前的虚拟人情绪模型仍然处于初级阶段.综述了情绪模型的研究，讨论了情绪模型尚未解决的问题.根据情绪 模型相关研究和认知科学的成果，提出了建立虚拟人情绪模型的一种新思，其目标是提高虚拟人情绪设计的效率， 虚拟人的情绪状态通过情绪模型来控制，虑拟人可以具有感知、动机、情绪、个性，并可在虚拟环境中表现出恰当的 自主情绪.情绪设计软件可以融合软计算理论和人机交互技术，为建立人性化的图形界面提供一种高效工具. 关键词：情绪：虚拟人；情绪模型；认知科学 中图分类号：TP391.1文献标志码：A文章编号：16734785(2012)02009507 The present situation and problems with research of a virtual human's emotion LIU Zhen,CHAI Yanjie Faculty of Information Science and Technology,Ningbo University,Ningbo 315211,China) Abstract:Emotion experience can effectively enhance the interest of users for virtual reality;emotion design for a virtual human is becoming a core technology in building a virtual environment,although the current emotion model of virtual humans is still in a preliminary stage.The previous research on emotion models was reviewed in this pa- per,and some unsettled problems of the emotion model were discussed.Based on the relative research on emotion models and the achievements of cognitive science,a new idea of building an emotion model was presented for the purpose of improving the efficiency of emotion design for a virtual human.A virtual humans emotion state can be controlled by an emotion model,which has perception,motivation,emotion,and personality while showing appro- priate autonomous emotions in a virtual environment.Emotion design software can integrate the soft-computing theo- ry and human-computer interaction technology,providing an efficient tool for the establishment of human-oriented graphics interfaces. Keywords:emotion design;virtual human;emotion model;cognitive science 随着信息技术的飞速发展，体验经济将成为未 建设的新理念，虚拟现实技术是世博会的一个突出 来经济活动的主流，体验经济是继农业经济、工业经 亮点，观众不仅可以现场参观，也可以在网上参观虚 济和服务经济阶段之后的第4个人类的经济生活发 拟三维展馆.采用虚拟现实技术实现的清明上河图， 展阶段，或称为服务经济的延伸.它覆盖了从工业到 使观众仿佛置身在远古时代.世博会向人们诠释的 农业、计算机业、互联网、旅游业、商业、服务业、餐饮 智慧城市，不仅是网络互联的世界，更重要的是，可 业、娱乐业（影视、主题公园）等各行业山.我国当前 视化的图形界面将成为信息表现的主要手段.虚拟 开展的智慧城市建设，正顺应体验经济时代的发展 现实技术将梦想和现实相结合，正逐步融人社会生 要求.2010年的上海世界博览会，体现了智慧城市 活，为人们的工作和生活提供直观便捷的体验方式， 虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计 收稿日期：2011-1208.，网络出版日期：201104-16. 算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60973099). 通信作者：刘箴.E-mail:liuzhen@bu.cdu.cm 视觉、听觉、触觉等多感知的虚拟环境，用户通过使
·96 智能系统学报 第7卷 用各种交互设备，同虚拟环境进行实时互动，身临其 的演示作品，他们采用了OCC情绪理论构建角色的 境地体验虚拟环境所展现的空间和逻辑关系的信 情绪结构，但是尚未建立一个可计算的情绪和个性 息.目前，构造具有几何外形真实感的虚拟环境已经 模型，角色还缺乏有效的感知功能，仅能表现有限的 不存在技术上的困难.为了增加用户的体验效果，要 个性和情绪特征[s].美国Pennsylvania大学Badler 求创建的虚拟环境能够反映人类社会的局部景象， 领导的项目组开发了虚拟人动画软件Jack,采用有 特别是引入具有自主情绪表现的虚拟人，能够极大 限状态机来控制虚拟人的行为，他们提出了采用角 提升虚拟现实系统的人机界面的友好性，使虚拟现 色的运动参数来简单表现个性特征的方法.此外，他 实系统能够按照人的需求提供体验服务.随着中国 们还借鉴现代舞蹈艺术的动作分析方法，提出了增 社会老年人的逐渐增多和独生子女政策的继续实 强角色运动表现力的EMOTE系统6].Badler的项 施，可以预见，人们对情绪交流的体验需求将迅速增 目组最近还探索了利用个性心理学中的OCEAN模 多.建立具有情绪交互能力的虚拟人，将为人们的生 型实现人群动画，每个个体虚拟人具有不同的个性， 活增添乐趣 从而使创建的人群动画看起来更可信，显然，他们的 虚拟人的情绪模型是建立人性化虚拟人的关键 工作尚未包括情绪，这也是他们希望努力的方 技术，同时也是一个极具挑战性的研究课题.由于人 向[8].Bl等提出了一种基于贝叶斯网络的个性化 类迄今为止对于情绪的认知过程仍缺乏深入的了 对话模型，但该模型仅仅涉及2个个性特征（严肃 解，而且在不同情境下所收集的各类情绪现象尚不 性和友好性)9].Perlin使用周期性的噪声函数来增 足建立通用的情绪理论.本文在综述国内外相关研 添个性表现力，采用脚本方法控制虚拟人的动作，由 究工作的基础上，重点对虚拟现实应用中的动漫游 此生成的虚拟人更有情绪和个性o).Rousseau等采 戏领域，讨论了虚拟人情绪模型研究的问题和解决 用产生式规则来描述角色的个性山，但该模型只能 途径，为进一步深人研究虚拟人情绪模型提供参考 描述简单的个性.瑞士专家Thalman夫妇领导的虚 拟现实研究小组，在虚拟人行为动画方面做了大量 国内外研究现状概述 的研究，近年来研究的重点正在从单一的人体动画 心理学中有很多情绪理论，这些理论从不同的 转向考虑虚拟人心理因素的智能行为动画方面[2] 角度对人类的情绪过程给出了定性描述.从20世纪 他们还提出了一种利用矩阵来表现个性的方法，从 90年代开始，人们开始在教育娱乐领域中研究情绪 而可以模拟虚拟人在人机对话中情绪的变化，但是 模型，其中欧美等国家在教育软件方面的研究成果 该模型没有和外部刺激联系起来] 很多，而日本在机器人领域探索了情绪模型.心理学 情绪和适应性模型(emotion and adaptation mod- 家Ortony等于1988年提出了一种情绪理论（即著 el,EMA),是由南加州大学的Gratch和Marsella共 名的OCC情绪理论)，这是最早从人工智能的角度 同提出的415)，EMA是基于Smith和Lazarus所提 描述人类情绪的认知结构21，该理论提出了情绪类 出的框架系统.它认为情绪是来自于对事件的评价， 型的一种划分方法，但并未给出情绪具体的计算模 并且不同的虚拟人对情绪也能产生不同的反应效 型.Ortony后来又对OCC情绪理论进行了补充说 果.通过该模型更容易理解情绪是如何影响行为的， 明，指出了情绪建模必须要考虑环境.近年来OCC 以及其中包含的潜在影响因素和过程.EMA模型主 情绪模型被广泛地应用于虚拟现实和电脑游戏领 要讨论的是情绪与认知是如何相互作用的，它是 域，1977年，媒体实验室的Picard系统地阐述了人 种综合性的框架体系，这种体系充分地解释了情绪 类情感计算的问题3].此后在智能机器人领域，人 的动态变化情况，并提出评价和应对的一种统一标 们开展了情感计算研究，如MT实验室研制了情感 准化的观点.Read等提出了采用神经网络构建个性 机器人Kismet,它能产生一组简单的情绪类型4].卡 的方法，他们认为人的个性是可以进化的，但该模型 内基梅隆大学开发的Oz项目，目标是建立具有高 仅建立了一个简单的认知结构，缺乏感知、情绪、外 度可信性的虚拟人，Oz项目的组最突出的贡献在于 部刺激、个性之间的有机联系[6.Wen-PohSun等利 提出了可信智能体的概念，可信意味着角色的情绪 用模糊逻辑，提出了虚拟人的一种OCEAN个性（五 和个性更加逼真.可惜0z项目的早期工作缺乏生动 大个性)模型，但他们的研究不包括角色的感知，角
第2期 刘箴，等：虚拟人情绪模型研究的现状和问题 ·97 色的个性仍是通过脚本来驱动的j.Arellano提出 2 情绪模型未解决的关键问题 了人机对话虚拟人的情绪表现方法，他们采用了心 理学中的PAD模型I8].Prada等探索了虚拟智能体 综合国内外研究现状，有关虚拟人的情绪建模 群体交互的模型，引入了智能体的社会吸引和影响 工作仍然是十分初步的，具体表现在以下几点： 参数9).Lim等提出一种紧急状态下的情绪模型， 1)缺乏虚拟人自主情绪的控制方法.所谓自主 并用二维的虚拟人头像变化来表现情绪[o].Edu 情绪是指虚拟人能够自主地根据环境信息表现类似 ardo等采用基于概率和模糊推理的方法构建了一种 人的情绪特征，虚拟人具有多通道的感知能力（如 情绪模型，使虚拟人的对话行为更可信21].在人脸 视觉和听觉等感知能力)，虚拟人的情绪表现不是 动画领域，Deng等编辑了专题图书，综合地利用已 根据预先拟定的规则来控制的，而是完全依据感知 有的人脸动画方法（物理模型和运动捕获），并关注 来驱动的.例如，在动漫游戏领域，不少虚拟人的情 人脸的整体信息成为研究趋势[2]，在角色动画领 绪模型仍是基于脚本控制的[11，还有一些是通过 域，从近年来发表的SIGGRAPH文章看，角色动画 “虚拟视觉”或认知模型来控制的2o],但这些模型 技术的发展趋势正在不断借鉴生物力学和心理学的 仍不具有多通道的感知能力建立虚拟人的自主情 研究成果231.Aylett等一直在探索教育游戏中的 绪表现模型可以有效地提高动漫游戏开发的效率， 情绪模型，该研究可以用来辅助儿童应对校园暴力， 虚拟人不仅要有外在的几何造型，更重要的是要具 教会儿童理解如何表达正确的非言语情绪行为[]， 有内在的认知结构. Terzopoulos等开展了基于神经动力学模型的虚拟人 2)缺乏对情绪表现的定量描述，情绪领域的研 动画模型，这些工作极大拓展了“人工鱼”行为动画 究仍缺少可操作的计算公式.例如，如果在动漫游戏 技术2 中实现虚拟人“微笑”，目前的技术水平大多能解决 近年来，情感计算的研究引起了我国学术界的 “为何笑”（笑的对象和原因），但对“笑多少”（笑的 广泛关注，特别是2005年第一届国际情感计算大会 强度)问题仍没有满意的解决方案.虚拟人的情绪 在北京召开之后，我国在情感计算领域陆续取得不 表现主要靠美工依据剧情预先实现，这使得角色的 少成果，如清华大学、中科院自动化所、厦门大学、北 情绪表现很生硬.目前的表情动画技术所生成的表 京航空航天大学、西南大学等单位都有专门从事情 情仍不自然，人们经常使用几何插值技术或肌肉模 感计算问题的研究小组2730，在虚拟人情绪建模方 型，但这些技术所生成的表情仍不够丰富，关键需要 面，北京科技大学王志良教授提出了人工心理理论， 解决的是如何将情绪的高层语义信息和底层的情绪 并在人工情感方面开展了深入研究32].曾广平等 表现幅度建立联系 建立了软件人的理论和方法[].刘烨等从情绪图片 3)现有的情绪模型很多是基于OCC模型，在解 出发，分析了其PAD情感状态模型4.杨宏伟等提 释复杂的情绪表现方面有很多不足.人类具有从不 出了智能体的一种依赖上下文的情绪计算模型[3]. 同“分辨率”看待同一个事物的能力，在数学上可以 张冬蕾等提出一种情绪主体的形式化描述模型，包 概括为软计算模式[24].已有的情绪建模研究大多 含情绪主体的心智状态、状态更新及模型的形式化 从情绪产生原因的某个侧面展开，难以准确描述情 定义这3个层次，能更合理地产生反应并作出更优 绪过程.例如，现有的情感计算模型没有考虑外部刺 化的智能决策].曹存根等提出了通过知识库辅助 激对虚拟人内心世界的定量影响，认知科学研究表 创造智能动画的方法1.张迎辉等研究了情绪度量 明，人的情绪产生不仅和外部刺激有关，也和人的内 方法「].胡博超等提出了一种基于粒子系统和有源 部状态（如个性）密切相关，同样的外部刺激，不同 场的人工情感模型，将外界刺激转换为空间的有源 个性的人常表现出不同的情绪反应， 场，当前的情感状态用粒子系统的运动状态来表示， 4)缺乏对虚拟人认知结构的清晰描述.例如， 有源场所产生的势能可以作用于粒子的运动，从而 目前的动漫游戏中的虚拟人缺乏完整的认知结构， 模拟情绪的生理本能反应39].刘箴等建立了一种动 角色行为大多采用有限状态机实现.人的心理活动 机驱动的虚拟人自主情绪模型，并研究了虚拟人 是一个整体过程，感知、情绪、个性、动机这些认知变 的自适应感知模型 量是不可分割的，现有的研究最多只局限在个性和
·98 智能系统学报 第7卷 情绪之间的联系，如何将个性和其他认知模块建立 绪认知模型.虚拟人的认知模型是用来控制自主行 联系，这是构建自主情绪模型的关键.已发表的虚拟 为的“虚拟大脑”，它的建立需要借鉴认知科学的成 情绪文献中，对虚拟人内部结构的描述大多借鉴 果.人的大脑中，参与情绪认知过程的器官主要有杏 BDI智能主体，难以描述情绪决策过程中生理和心 仁体、下丘脑、边缘叶和皮层等，故可引入情绪产生 理的相互关联性.近年来认知科学的最新研究（情 器来模拟杏仁体功能，也可提出情绪调节器模拟下 绪的大脑机制)为构建虚拟人的认知结构提供了理 丘脑的情绪调节功能，并采用情绪中心来统一描述 论依据.如何选择合适的情绪和个性参数，如何将现 情绪产生器和情绪调节器.而感觉器和知觉器用来 有的人工智能成果和认知科学的最新进展结合起 模拟皮层的感知功能和注意机制，具有多通道的感 来，都是值得深人研究的课题， 知能力，用生理调节来模拟皮层对环境生理的自适 5)有关情绪与环境之间的关系仍缺少研究.人 应，采用记忆变量来模拟边缘系统的记忆功能.此 的情绪是个体内部因素和外部因素共同作用产生 外，可以引入情绪变量、动机变量、个性变量和心境 的，研究情绪必须同时考虑情绪的环境背景信息.如 变量作为情绪过程中的心理变量 果不考虑情绪的上下文条件，很难解释各种情绪现 2)采用软计算数学理论，建立虚拟人的情绪描 象.例如，当一个人面部呈现哭泣的表情，单独从面 述方法和情绪决策算法.由于情绪的产生是一个极 部表情很难推断人的内心情绪状态，因为此时人的 其复杂的过程，是内部动机和外部刺激共同作用的 情绪可能是“喜极而泣”，也可能是确实处于悲伤情 结果，并与自主神经系统紧密联系在一起.因此可以 绪状态，这就要看情绪的环境信息，而一个人的情绪 采用软计算数学理论（随机过程、模糊集合、粗糙集 也与其社会属性（如身份等参数）密切相关.由于环 合理论)来描述虚拟人的心理变量（包括情绪变 境信息的复杂性，如果没有面向领域的常识知识的 量)[24]，可引入虚拟人的情绪变量，建立复合情绪 辅助，试图建立通用的情绪模型几乎是不可能完成 的合成公式.建立主观感知强度函数表达式，用来描 的目标 述外部刺激的强度分布，采用粗糙集合上的代数运 6)缺乏对情绪互动现象的定量研究.社会心理 算，建立情绪触发的一般性判断条件，从而在理论上 学的研究表明，情绪交流是人类交往的重要手段.即 解决情绪的形式化问题， 便是非言语的情绪信息（如人的情绪化姿态和表 3)建立虚拟人情绪和个性之间的融合机制.为 情)，也能对他人的情绪产生影响.在近距离条件 构建具有个性化情绪的虚拟人，也要研究个性.个性 下，人际间的情绪互动是一个有趣的研究课题，但之 主要指气质、性格等比较稳定的心理特征.为了描述 方面至今仍没有定量的研究成果. 虚拟人的个性，需拓展心理学中原有的个性概念，个 7)尚无面向虚拟人情绪设计的软件工具.目前 性内容不仅包括通常心理学含义中的个性，也应包 有不少动漫游戏编程工具（如游戏引擎），但至今尚 括角色本能的一些属性.具体的研究内容可以包括： 没有虚拟人情绪设计方面的软件，目前虚拟人的情 可以选择弗洛伊德的个性理论，对其中的重要概念 绪表现大多采用表情和身体姿态来表示，而人的情 “自我”、“本我”、“超我”建立算法模型，利用该理 绪表现是十分丰富的（如眼泪、气色等），这使得情 论可以很好地模拟虚拟人无意识的行为反映，并试 绪设计仍停留在手工阶段，研制情绪设计软件成为 图通过引人“力比多”非线性强度函数模拟本能的 一项紧迫的任务 个性特征，从而可以模拟具有“七情六欲”的虚拟 人；也可以借鉴艾森克的个性理论和卡特尔理论，构 3情绪建模研究的建议 造角色的个性结构，个性结构必须考虑到个性的生 综上所述，可以将虚拟人视为一个自主的智能 物学基础，即每个角色可以具有一个内在的个性参 体，除了具有知识、信念、意图、承诺、情绪等心智状 数，这些个性变量对外部刺激的反应强度不同，从而 态外，虚拟人还应具有详细的认知结构.为了构建虚 造成行为方式的差异；对于马斯洛的需求层次理论， 拟人自主情绪模型，针对上节所讨论的问题，对情绪 建立动机和个性之间的算法模型，利用米希尔的情 建模的研究方法提出如下几点建议。 感个性理论，将外部刺激和个性与动机建立数学关 1)借鉴认知科学的最新成果，建立虚拟人的情 系式；此外，基于班杜拉的认知理论，把个性视为可
第2期 刘箴，等：虚拟人情绪模型研究的现状和问题 ·99 以演化的变量，建立个性的学习模型，通过环境刺 为动画.可以综合运用表情、姿态、眼泪、肤色、语音 激，个性结构也发生相应的变化.情绪和个性的融合 和虚拟镜头等多种形式表现角色的情绪。 机制包括在情绪的触发判别条件中，充分考虑个性 4结束语 对情绪表现的影响，通过建立个性影响函数来反映 个性对情绪表现的影响。 本文回顾了虚拟人情绪研究的相关成果，指出 4)建立虚拟人情绪变量与其他变量（感知和动 了目前虚拟人情绪建模中一些尚未解决的问题，并 机等)的联动机制.人的认知过程具有整体性，所以 给出了完善情绪模型的一些建议.尽管人们已经在 虚拟人的情绪变量和其他认知变量之间具有联系， 情绪模型方面取得了一些成果，但情绪模型的理论 建立他们之间的联动机制可以使情绪的表现更加自 研究仍不够深入，特别是建立具有多通道感知能力 然可信.首先，建立情绪和感知系统（感觉器和知觉 的自主情绪模型仍需要进一步研究，这方面的工作 器)的联系，利用情景演算逻辑和开放逻辑作为描 要吸收相关学科的最新成果，从情绪的数学描述到 述手段9，可以建立主观感知函数，将外部刺激信 实验手段都需要有新的突破.例如，人的情绪采集一 息传人情绪中心处理，情绪中心通过情绪产生器和 直是情绪模型研究中的突出问题，随着我国智慧城 情绪调节器来候选出可能的情绪类型，通过拟建立 市建设中物联网技术的普及和应用，可以借助于物 的情绪推理算法（采用粗糙集合上的代数运算），并 联网技术采集人体各种生理数据，为深入研究人类 根据生理调节和动机变量的状态确定合适的情绪反 情绪数据提供了便捷的手段.从用户体验的角度看， 映.其次，建立个性、动机变量和生理调节之间的联 物联网对信息处理智能化和可视化的需求日趋强 系，可引入个性生理影响函数模拟不同个性对生理 烈，人性化的图形界面应该是物联网与用户沟通的 调节的影响，采用个性动机影响函数来模拟个性对 主要途径.情绪模型将在构建物联网终端界面方面 动机的影响.最后，建立情绪和个性的高层语义描述 发挥重要作用，并最终融入社会生活。 与底层运动数据之间的联系，通过个性化的情绪参 参考文献： 数来控制虚拟人的情绪表现 5)收集整理情绪知识库，建立虚拟人情绪的机 [1]派恩二世，吉尔摩.体验经济（修订版）[M].夏业良， 译.北京：机械工业出版社，2008：1-10， 器学习算法.通过文献和实际调研，收集整理人的情 [2]ORTONY A,CLORE G L,COLLINS A.The cognitive 绪交互知识，特别是在考虑社会身份的前提下的情 structure of emotions[M].New York:Cambridge Universi- 绪交互知识，并采用知识工程的原理对这些知识加 ty Press3,1988:18-19 以规范化处理，构建面向特定领域的情绪知识库.可 [3]PICARD R W.Affective computing M ]Cambridge, 采用人机交互的手段，利用增强学习算法实现对情 USA:The MIT Press,1997:1-20. 绪触发判别界限参数的调整，利用神经网络实现对 [4]BREAZEAL C L.Designing sociable robots M ]Cam- 情绪推理规则强度的调整，利用遗传算法实现情绪 bridge,USA:The MIT Press,2002:157-185. 和其他变量联动参数的调整， [5]NELSON M,MATEAS M.Search-based drama management 6)建立虚拟人情绪互动计算研究.虚拟人的情 in the interactive fiction anchorhead C]//Proceedings of 绪互动包括虚拟人之间的情绪互动和虚拟人与用户 Artificial Intelligence and Interactive Digital Entertainment 的人机情绪互动.前者是建立虚拟人群中情绪互动 2005.Marina del Rey,Califoria,USA:AAAI Press, 的传播规律，后者是建立虚拟人和真人的情绪交流 2005:99-104. [6]BADLER N I,REICH B D,WEBER B L.Towards person- 因此，应赋予虚拟人感知情绪的能力，可以利用计算 alities for animated agents with reactive and planning behav- 机视觉和情绪语义相结合的方法，对虚拟人赋予虚 iors M].Berlin,Germany:Springer-Verlag,1997:43- 拟视觉能力，从而实现虚拟人对情绪的感知， 57. 7)虚拟人情绪设计软件.基于上述理论和算法 [7]CHI D,COSTA M,ZHAO L,et al.The emote model for 研究，完全可以研制虚拟人情绪设计软件.例如，该 effect and shape[C]//Proceedings of Special Interest Group 软件可以支持用户通过脚本或者可视化界面赋予虚 for Computer GRAPHICS'2000.New Orleans,USA, 拟人参数，在自主情绪模型的驱动下生成复杂的行 2000:173-182
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