（计算机软件与理论专业论文）动画自动生成中复杂情节展开的研究及本体知识库构建.pdf

摘要 皇曼!毫曼!皇皇曼鼍。一。 m l i 一一一。 m m mm 一- - - - 一；i i ! 曼苎曼曼寰皇皇曼! 詈曼 摘要 动画自动生成技术( a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o m p u t e ra n i m a t i o n ) 是一个崭 新的课题，它由中科院数学所的陆汝钤院士提出，是人工智能技术与电影艺术， 图形学技术的结合，是以底层图形学技术为支撑，在上层运用人工智能技术以及 电影艺术实现的一个全新的领域。整个过程是一条动画片生产自动化的技术路 线，它的目标是只要有了一个适当的故事，以受限自然语言的形式把它输入到计 算机里，从此时开始，直到最终动画生成，每一步都是在计算机的辅助下完成的。 、情节规划是动画自动生成系统中的一个模块，它的任务是将中文故事中出现 的一些无法用语言直接表现的抽象动作展开成动画底层能实现的一系列具体动 作，从而为底层实现奠定基础。情节规划好坏的一个根本的评价标准就是能否根 据输入故事提供的富含细节的信息将情节展开的相对丰富、灵活、多样。复杂情 节的展开便是基于此标准定义的，它是指运用选择j 杂交、变异等技术展开情节 以使情节展开的内容与故事内容匹配且更加丰富多样。 本文以动画自动生成技术为背景，对复杂情节展开中的情节知识库组织策 略、选择策略、情节的杂交及变异技术进行了研究。情节知识库组织策略的研究 中，我们采用本体技术建立了情节库中情节的参考体系，对本体有了比较深入的 认识。同时，本项目组将动画自动生成技术应用到古代建筑领域，开展了古代建 筑场景动画自动生成技术的研究工作，本文将本体的经验、技术应用其中，完成 了古代建筑本体知识库中硬山小式本体、庑殿本体及榫卯本体的构建工作并设计 实现了本体知识库的推理系统。 首先，根据古代建筑领域专家提供的领域知识建立了硬山小式本体、庑殿本 体及榫卯本体知识库。领域专家提供的古建筑知识体现在本体中包括建筑形式及 其属性、各建筑部件及其属性、部件的个数规则、位置规则、方向规则、顺序规 则、命名规则、榫卯规则等。可以看出规则在知识库中占据举足轻重的作用，规 则的表示语言采用s w r l 语言，它是用语义的方式呈现规则的一种语言，其目 的是为了驱使规则与o w l 知识库产生结合，s w r l 利用高度抽象的语法表达 o w l 本体论所描述的知识。 其次，本文对本体知识库推理进行研究，实现了本体知识库推理功能，并提 出规则模块化控制机制。该推理功能封装了本体推理算法，通过p r o t 6 9 6a p i 调 用本体模型，并运用s w r l 推理算法。为了避免内存溢出问题，本文提出了规 则模块化控制机制。该机制使得庞大的规则库分解成若干小的规则块，分别运行 小的规则块，一是保证了一类规则的同时推理利于结果输出，二是不会产生内存 溢出问题，保证了推理的顺序进行。 最后，本文设计并实现了知识库推理系统，并将其嵌入到古代建筑场景动画 北京工业大学工学硕士学位论文 自动生成系统中，其中的工作包括：本体文件解析、接口文件设计、中英文转化 等。这些工作的完成使得古建本体知识库与动画自动生成系统融为一体，并为后 继模块提供了统一的接口语言，为整个动画自动生成系统的实现奠定了基础。 关键词动画自动生成；复杂情节展开；本体知识库：o w l ；s w r l i i a b s t r a c t _i i i ! 曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼鼍! ! 曼! 舅寰曼曼! 曼 a b s t r a c t a u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o m p u t e ra n i m a t i o n ，w h i c hi sp r o p o s e db yp r o f r u q i a n l u ，i san e wa p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dg r a p h i c st o g e t h e rw i t hm o v i e t e c h n i q u e s t h ew h o l ep r o c e s si sa na u t o m a t i cg e n e r a t i o n ，w h i c ha i m st ot r a n s f o r ma l a n g u a g es t o r yi n t oac a r t o o nb yc o m p u t e ra u t o m a t i c a l l y p l o tp l a n n i n gi so n eo ft h ek e ys t e p si nt h i sp r o c e d u r e ，w h o s et a s ki st oc o n v e r t t h ea b s t r a c tp l o ta p p e a r i n gi nt h es t o r yi n t oas e r i e so fc o n c r e t ea c t i o n s w ej u d g et h e r e s u l tb yi t sv a r i e t ya n dd e f i n et h ec o m p l i c a t e dp l o tb a s e do nt h i s ，i tm e a n st h a tu s i n g s e l e c t i n g ，c r o s s i n ga n dm u t a t i o nt e c h n o l o g yt ou n f o l dt h ep l o t a n dm a k i n gt h e u n f o l d i n gr e s u l t sm a t c h t h er e a l i t ya n df u l lo fv a r i e t i e s b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fa u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o m p u t e ra n i m a t i o n ，t h i s p a p e rr e s e a r c h e st h ec o m p l i c a t e dp l o t t h ew o r ki n c l u d e sf o u rp a r t s ：p l o tk n o w l e d g e b a s eo r g a n i z a t i o ns t r a t e g y , s e l e c t i n gs t r a t e g y , c r o s s i n ga n dm u t a t i o nt e c h n o l o g y o u r p l o tk n o w l e d g eb a s eo r g a n i z a t i o ns t r a t e g ya d o p t so n t o l o g yt e c h n o l o g ym a k i n ga r e f e r e n c e ds y s t e mf o rk n o w l e d g eb a s e m e a n w h i l eo u rg r o u pa p p l i e dt h ea n i m a t i o n a u t o m a t i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi n t oa n c i e n tb u i l d i n gf i e l da n di n t e n d st or e a l i z et h e a n i m a t i o na u t o m a t i cg e n e r a t i o no fa n c i e n tb u i l d i n gs c e n e i nt h i sp a p e r , w ea p p l yt h e o n t o l o g yt e c h n o l o g yi n t ot h i sp r o j e c ta n df i n i s ht h r e eo n t o l o g i e si na n c i e n tb u i l d i n g f i l e da n dr e a l i z ear e a s o n i n gs y s t e m t h e s et h r e eo n t o l o g i e sa r ex s y s ，w u d i a n ，a n d s u n m a o f i r s t l y , b a s e do nk n o w l e d g et h ee x p e r tp r o v i d e s ，w eb u i l dt h a tt h r e eo n t o l o g i e s t h ek n o w l e d g ei nt h eo n t o l o g i e si n c l u d e sb u i l d i n gt y p ec l a s s e s ，t h e r ep r o p e r t i e s ， c o m p o n e n t sn u m b e rr u l e s ，p o s i t i o nr u l e s ，d i r e c t i o nr u l e s ，s e q u e n c er u l e s ，n a m er u l e s a n ds u n m a or u l e se t c t h r o u g ht h e s ek n o w l e d g ew ec a ns e et h a tr u l e si sv e r y i m p o r t a n t ，w eu s es w r l a st h eo n t o l o g yr u l e sl a n g u a g e ，i tc a nc o m b i n ew e l lw i t ht h e o w l k n o w l e d g eb a s e s e c o n d l y , o n t o l o g yr e a s o n e df u n c t i o ni si m p l e m e n t e dt oi n f e rk n o w l e d g e t o m a k es u r et h ee f f i c i e n c yo ft h er e s u l t s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sar u l em o d u l a r i z a t i o n m e c h a n i s m t h eo n t o l o g yr e a s o n e df u n c t i o nc a nt r a n s f e rt h ep r o t 6 9 6a p it oa c c e s st h e o w lm o d e la n di n f e rr u l e s i no r d e rt oa v o i dt h ej a v ah e a ps i z ee x c e p t i o n ，w ed i v i d e t h ew h o l er u l eb a s ei n t os o m es m a l lr u l eb l o c k s r u n n i n gt h es m a l lr u l eb l o c k so n eb y o n ec a ne n s u r et h ec o r r e c tr e s u l ta n dn oj a v ah e a ps i z ee x c e p t i o n s t h i r d l y , t h i sp a p e rg i v e st h ed e s c r i p t i o no ft h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o nf o rt h e o n t o l o g yr e a s o n i n gm o d u l e t h em a i nw o r ki n c l u d e so n t o l o g yf i l ep a r s i n g ，i n t e r f a c e f i l ed e s i g n i n ga n dc h i n e s e - e n g l i s ht r a n s f o r m i n ge t c t h i sw o r kp r o v i d e st h eu n i f o r m l a n g u a g ef o rt h es u b s e q u e n c em o d u l e ，a n da l s oh e l p st h eb u i l d i n go ft h es y s t e mf o r a u t o m a t i cg e n e r a t i o no f c o m p u t e ra n i m a t i o n i i i 北京工业大学t 学硕十学位论文 k e y w o rdsa u t o m a t i cg e n e r a t i o no fc o m p u t e ra n i m a t i o n ；c o m p l i c a t e dp l o tp l a n n i n g ； o n t o l o g yk n o w l e d g eb a s e ；o w l ；s w r l i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：! 垂殛墨丕日期：鲨! 墨：笪：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：2 童硇叠导师名：垄! 查 日期： 勿丫 第1 章绪论 曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼mmwn,m _ i 量曼曼! 曼! 量曼量! 曼! 曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼童 第l 章绪论 1 1 研究背景与研究意义 1 1 1 动画自动生成的研究背景与研究意义 传统动画工艺繁多，劳动强度大，制作周期长。根据动画效果产生的原理及 早期动画片的制作方法我们可以发现，即使帧与帧之间的差别很小，每帧的画面 也必须由人们手工绘得，这些相对简单重复的劳动使得创作动画片的工作量非常 大，所以花的时间非常多。按电影的格式每秒2 4 帧画面，1 分需要绘制1 4 4 0 张 图画，1 0 分钟的电影动画片通常要8 0 0 0 1 0 0 0 0 张左右的画面。美国迪士尼公司 于1 9 3 7 年创作了一部长达8 3 分钟的大型动画片白雪公主和七个小矮人，共 绘制了2 亿张草图，这个数字的工作量是一般人难以想象的。随着计算机的出现 及图形学技术的发展，计算机动画应运而生【l 】。借助于当前成熟的动画制作软件 及运动捕捉、群体动画、行为动画、基于物理的动画等先进的动画技术，计算机 动画在后期生成动画上大大提高了动画的制作效率 2 】。 从传统动画到计算机动画在动画制作成本及效率上已经有了质的飞跃【3 】，计 算机动画技术采用图形学原理来实现对三维动画交互式制作的支持，被广泛应用 于多媒体、电影、电视、动画片、游戏、教育等众多领域，取得了巨大的成功。 现在动画技术己发展成为动漫产业的概念，指的是开发包括动画卡通、网络游戏、 手机游戏、多媒体产品等多方面产品的产业。据报道，英国动漫产业年产值占 g d p 的7 9 ，是该国第一大产业；日本动画业年产值在国民经济中占第六位， 动画产品出口值远远高于钢铁出口值；在韩国，动漫产业已经和汽车产业等一起 成为该国三大支柱产业之一；我国2 0 0 3 年动漫产业总收益也己开始超过电影行 业。动画技术在二十一世纪具有无比广阔的应用前景。然而计算机动画只能在后 期制作阶段提高动画片产生的效果和效率，并不能从本质上简化动画片的制作工 序。基于人工智能的动画是计算机动画技术中的一个分支，研究如何利用人工智 能技术提高动画制作的自动化程度和智能性。陆汝钤院士于八十年代提出了一种 新的基于人工智能的动画自动生成技术，即从用自然语言书写的故事开始直至最 终生成动画，每一步都是在计算机辅助下完成的，包括对故事剧本进行自然语言 理解、故事理解、根据故事进行动画情节设计、动画定性设计、和动画定量规划 计算，涉及场景、角色、动作、和摄像机等动画的各个组成部分。1 9 9 5 年中科 院数学所实现了一个基于该项技术的原型软件系统并通过鉴定，用该系统生产的 动画片“三兄弟”已经在中央电视台大风车节目中播放，使用该系统，我们只花 了两周的时间就完成了这部十分钟动画片的制作，而如果使用传统的方法则至少 北京工业大学工学硕士学位论文 要半年以上。 随着动漫产业需求的快速增长，计算机动画技术的研究趋势将向如何最大程 度上地降低制作成本、缩短制作周期、提高制作灵活性的方向发展，仅仅依靠计 算机图形学技术是不够的，人工智能理论和技术的使用将愈来愈深入和广泛。 调研结果表明，中科院数学所的这项全过程计算机辅助动画自动生成技术在 国内外尚无先例。 1 1 2 复杂情节展开的提出及其研究意义 情节规划动画自动生成系统中的一个模块，它的任务是将中文故事中出现的 一些无法用语言直接表现的抽象动作展开成动画底层能实现的一系列具体动作， 从而为底层实现奠定基础。它位于自然语言理解、故事理解之后，场景规划模块 之前。 我们知道，剧本由幕组成，每一幕又由若干动作组成。这些动作来自最原始 的故事文本的表述。我们经过研究将一篇故事的动作分为三类：抽象动作、宏动 作和微动作【4 】。抽象动作是这样的一类动作，仅从它的名字我们不知道它的具体 执行方式，也不知道如何用图形语言来直接描述。比如“结婚”这个动作，不同的 人有不同的结婚方式，每一种方式又是由若干动作组成。这种需要再次由动作描 述的动作我们称之为抽象动作。它虽然具备动作名，但又是一个小的情节，该情 节又由若干动作来展现。宏动作是具体动作，或称原子动作。它的实现通过角色 关节部位的旋转完成，并且可以直接通过图形语言展现。比如：“走”，这个动作 的实现由腿关节的旋转和位移完成。微动作是指关节动作，i ：lt n ：关节的旋转、 位移等等，它是动作中最基本的元素，最终动作的实现都要归结到对微动作的操 作。 情节规划验证了计算机发挥其想象力的能力，是人工智能技术的新应用。情 节规划好坏的一个根本的评价标准就是能否根据输入故事提供的千差万别的信 息展开成相对丰富、灵活、多样的情节以满足用户。 复杂情节的展开便是基于此标准定义的，它是指运用选择、杂交、变异等技 术展开情节以使情节展开的内容丰富多样。我们已经实现了基本的情节展开【5 】， 既根据故事提供的抽象情节的名字与情节库中已存在的情节名相匹配，然后经过 情节推理机展开，只能处理机械的一一对应情况，情节自身的灵活性、情节与情 节的交互及情节与故事内容的相容等方面的工作涉及很少。面对灵活多变的故事 及其提供的各种各样的细节信息就力不从心了。本课题提出的复杂情节的展开正 是为了弥补上一版的不足，以在同一故事输入的前提下产生更加丰富灵活、更加 贴近现实的情节同时使我们的系统功能更加强大。 2 第1 审绪论 1 1 3 古建本体知识库的研究背景及其研究意义 中国古建筑被公认为世界三大建筑体系之一。中国古建筑是唯一以木结构为 主的建筑体系，建筑宏大宽敞、雕梁画栋、装饰华丽，是中国传统文化精神的集 中展现，是古代建筑艺术、科学和传统工艺技术的结晶与典范，也是世界上延续 历史最长、分布地域最广、风格非常鲜明的独特体系，在世界建筑史中占有重要 地位。 据调查统计，我国现存各类古代建筑及历史纪念建筑物多达8 万处以上。可 以说种类繁多，形式风格多样的古代建筑，具有极高的历史、艺术和科学价值， 是研究我国古代历史文化的重要实物资料。中国古代建筑不仅是中华民族的宝贵 遗产，也是世界建筑艺术的瑰宝，做好古建筑保护、宣传与教育工作意义非常重 大。基于语义理解的古代建筑场景动画自动辅助生成技术继承动画自动生成技 术，将动画自动生成技术应用到古代建筑领域，一是可以继续研究动画自动生成 的技术难点，二是为促进古代建筑的宣传、教育贡献一份力量。 动画像电影一样，集文字、图像、声音以及它们的运动变化于一身，其作用 是其他信息媒体不可替代的。但是动画又胜于电影，因为电影虽然有各种拍摄技 巧，而动画却有一般电影所没有的表达虚拟空间的优点，可以展现电影摄像机拍 摄不到和表现不出的情景，例如，各种建筑材料混合时发生分子级化学变化的展 示只有动画能够做到。现在的人们已经远离古代，单看文字说明难以理解古代建 筑工艺的精湛高深和宏伟场面，单看画面也难以想象建筑过程的复杂困难和精巧 技艺。利用动画再现古代建筑技术，对专业建筑师来说是一套生动的教学资料， 对人民大众来说是一份供欣赏和学习的动漫作品，对文物管理专家来说是保存和 研究古建筑工艺全貌的有效手段，对宣传部门来说是向国外宣传我国博大精深的 古代建筑文化的有力工具。 古代建筑的领域知识是基于语义理解的古代建筑场景动画辅助自动生成的 基石，没有领域知识一切无从谈起。知识可以来源于古建筑视频、音频、图文信 息及专家咨询等，但如何将这些知识转化成计算机能理解的知识是我们要解决的 主要问题之一。由于是智能动画系统，因而要考虑到知识库的辅助作用。以前的 知识库一般采用s q l 数据库存储相应规则及数据、模型等信息，而在古建专业 领域，很多知识都有特定的表达方式，规则与规则之间也有相应的联系推理关系， 因而需要考虑使用更高效、更具逻辑结构的数据存储方式，应用本体o n t o l o g y 的相关处理方法解决知识库之间的联系问题，将整个知识库形成元素与其间规则 构成网状结构。 本体( o n t o l o g y ) 是共享概念模型的明确的形式化的规范说明【6 】，是当前人 工智能领域的研究热点。本体以一种明确的、形式化的方式表示领域概念及其之 间的相互关系，使人、机器及应用程序对概念语义达成共同理解，是实现领域知 北京工业大学工学硕十掌位论文 识在不同应用之间共享和重用的桥梁。 本体的目的是建立概念之间的联系并表示成机器可理解的知识，这当然是本 体的一个最基本的应用，并能很好地满足独立系统的需求，但如果把本体放到 w e b 这个大环境下，本体发挥着更为重要的作用。说到这里不能不提语义网，为 了解决现在w e b 2 0 表现出来的局限性如搜索引擎查准率查全率较低、w e b 服务 存在异构等由于机器无法理解和处理信息的语义造成的问题，b e r n e r s l e e 提出 了语义网的构想【_ 7 1 ，即：使w e b 上的数据能以一种可以被机器理解和定义的方式 联系起来，它不仅仅以显示为目的，而是为了自动集成和重用不同平台中的数据。 本体技术即为上面提到的“一种可以被机器理解和定义的方式，当不同领 域的本体都被构建出来并放到w e b 上成为计算机和人类共享的和共同认可的知 识后，便能实现w e b 信息的自动处理，弥补现在w e b 的诸多不足，为人类提供 一个更加智能和友善的网络环境。虽然语义网的构想离真正实现还有一定距离， 但人们一直在为这个目标做着大量的工作，其中构建各种领域本体这个工作是不 可避免的。因为知识及其内部规律都是客观存在的，一旦我们将古建筑的知识总 结并用本体技术构建出来与大家共享，必然会减少人们很多不必要的重复性工 作，提高整个本体相关领域的劳动效率。目前，还没有发现古建筑本体的相关文 献报道，所以说古建筑本体知识库的构建十分有意义。 1 2 研究现状 1 2 1 计算机动画的现状 随着计算机图形学的发展，计算机动画制作出现了新的手段，即三维动画。 三维动画的出现把动画制作上升到了传统动画不可达到的高度。在传统的动画制 作中，一些难以再现的物体运动通过三维动画展现的惟妙惟肖。随着先进造型技 术以及计算机图形学技术的飞速发展，用计算机生成的三维动画片更是具有二维 动画片无法比拟的优越性，并且，三维动画片形象地模拟出现实世界物体运动的 规律，解决了传统动画中运动表现的问题。随着硬件的发展，人们越来越趋于从 问题的本质解决问题，基于物体和人工智能的方法逐渐成为计算机动画研究课题 的核心。 基于人工智能的动画研究如何将人工智能技术用于计算机动画，从而提高动 画制作的自动化程度和智能性。这一方面的研究成果很多，大致可分为以下几类： ( 1 ) 自然语言指令驱动的动画：该方法主要研究如何由自然语言指令和其它 高级任务规范说明来产生虚拟人类a g e n t 完成任务的动画模拟【8 】。基于该技术的 语言、动画和虚拟现实的系统有很多，如：微软研制开发的p e r s o n a 项目，该项 目致力于产生能够和用户进行自然语音对话的拟人格化的动画角色，采用拟人化 4 勇1 荦绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼i _ _ mi i 毫曼皇曼皇量寰 的对话机制，角色说话时还有动作相配合；美国海军研究室的n a u t i l u s 项目致力 于研究面向浸入式虚拟现实环境的自然语言和语音理解界面，通过使用口头命 令，用户可以在模拟的三维环境中漫游、移动或隐藏虚拟物体、控制模拟回放等。 美国宾州大学研究的a n i m n l ( a n i m a t i o nf r o mn a t u r a ll a n g u a g ei n s t r u c t i o n s ) 乳1 0 】。 a n i m n l 项目的目标是生成真实的动画来表现人执行自然语言指令所说明的任务 的过程，它的功能流程般说来包括自然语言语法分析、语义分析、规划推理、 规划、模拟和人物动画。 ( 2 ) 知识驱动的人体跑步动作的动画生成：该技术是通过人类跑步的知识来 生成各种实时人体跑步动作的动画 1 1 - 1 3 】。该系统中的知识分为若干类：关于跑步 动作参数之间关系的实验知识，用于计算人体运动轨迹的物理知识，关于跑步时 肢干协调性的知识等等。在这种基于知识的控制机制的支持下，用户可以交互式 地调整高层参数以实时地得到满意的跑步动作效果。 ( 3 ) 交互式故事系统：一般交互式故事或游戏系统有故事图和模拟世界两种 类型，前者的交互性太差，而后者的行为时间相关性太差，难于成为故事。面向 兼顾交互性和情节控制的目标，描述了一个支持交互式情节的动态产生、管理和 冲突解决的计算框架，它让用户充当故事的主角来确定当前的行为，同时根据角 色的说明、关系、目标等来控制角色的行为。该框架的核心模块是一个情节管理 器，它的输入是一系列初始情节条件，输出是角色动作序列，该系统目前已在网 上发布运行，详细的描述可参见文献【1 4 ”】。 ( 4 ) 自然语言故事到计算机动画的翻译：m u l t r a n 2 0 】是一个从自然语言( 日 文) 写的故事到计算机动画的翻译器，其主要步骤包括：从故事篇章中推导出脚 本、角色动作生成、动画环境构造和虚拟摄像机定位。m u l t r a n 的特点在于： 中间表达由事件和事件间的约束组成；能够生成一个动画脚本，它是时间估算的 一个最优解；调度执行的过程中角色可以估算自己动作的时间。m u l t r a n 的研 制者期望他们的工作可以支持自然语言处理中的对话理解和篇章的二义性排除。 ( 5 ) 基于角色情绪和动作的自动背景音乐生成：计算机动画中有关背景音乐 和音响效果自动生成方面的研究比较少，文献【2 l 】论述了个为已经制作好的动画 自动配乐的原型系统，其输入是每个场景的音乐参数和动作参数。音乐参数包括 情绪类型和音乐主题，情绪类型是指场景中主要角色的诸如高兴、伤心、生气、 困倦等的情绪及其程度。该系统中背景音乐的节拍、旋律、伴奏等主要是根据角 色情绪所产生的。背景音乐的和弦级数的生成是基于协调规则的，这里的协调规 则是根据1 7 到1 9 世纪古典音乐最常使用的和弦而总结出来的，而动作的音响效 果是根据动作的特性和强烈程度来确定的。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 2 2 情节规划的研究现状 人机交互生成故事是复杂情节展开应用比较广泛的研究课题，它吸引了众多 研究小组的加盟。目前研制的人机交互生成故事系统都是允许用户干预，并根据 用户干预的结果产生新的情节。根据用户在故事中干预时身份可以将人机交互生 成故事系统分为两类：一类是用户作为故事中的一个角色，他通过与其它故事角 色交互来影响故事情节的发展，如系统f a g a d e 2 2 】；第二类是用户以第三者的身 份操纵故事中的物体，如把日记本藏起来、给故事人物设置障碍等来改变故事的 发展，这样的系统t e s s i d e 2 3 大学曾研发过。 h t n ( h i e r a r c h i c a lt a s kn e t w o r kp l a n n i n g ) ，即分层任务网络规划【2 4 也6 1 ，是 交互式故事系统中已被广泛应用技术。h t n 方法将来自偏序规划的思想和“h t n 规划”领域的思想结合在起。在h t n 规划中，用来描述问题的初始规划被视为 对需要做什么的非常高层的描述，通过应用行动分解来改进规划，每个行动分解 将一个高层行为还原为一个低层行动的偏序集，过程继续进行直到规划中只剩下 原始行动。在规划过程中，为了实现一个动作，需要首先将此动作分解成若干子 动作，这些子动作又分别分解成更小的子动作，直到动作全为可执行的原始动作， 这种分解的过程就是一个情节的展开过程。h t n 规划的分解过程便是搭建一棵 树的过程，树的叶结点全为不可再划分得原始动作。因此故事可以设计成树的结 构，然后根据要求自顶向下搜索生成情节。我们下面要介绍的情节库的组织及情 节的展开策略便借鉴了h t n 的思想。r u c kt h a w o n m a s 、k e i s u k et a n a k a 等人研 究了交互式喜剧生成系统 2 7 1 。该系统允许用户以第三者的身份影响故事情节的展 开，即我们上面提到的交互式故事系统生成的第二类。它的原始动作用经典的 s t r p s 型表示，系统情节知识的表示是基于h t n 的方法的，并在一定程度上对 h t n 进行了扩展，如：原始动作表示时加入了可执行条件且进行搜索时将其作 为一个必要条件搜索、每个原始动作有多个候选者从而增加展开情节的多样性 等。 多数研究交互式故事生成的人员认为只要系统中角色( c h a r a c t e r ) 的结构组 织良好就能够生成一个高效的交互式故事系统，因为故事可以看成是角色产生的 一系列动态的事件或状态。即便此说法正确要想通过各个角色单独完成自己的动 作而自动生成一个连续的故事是不可能的，因为任何一个角色都不能看到整个故 事，从而不能保证故事的连续性。y u n j us h i n 和m i n k o ok i m 研制了基于a g e n t 的短故事自动生成器 2 8 1 ，它很好地解决了故事的连续性问题。为了生成一个连续 情节的故事充当角色的a g e n t 有多个层次的目标，分别为观察者目标( v i e w e r g o a l ) 、情节目标( p l o tg o a l ) 、角色目标( c h a r a c t e rg o a l ) 。观察者目标表示情 绪状态，是作者想让观众获得的情绪效果；情节目标表示一个主要场景( 系统中 称为情节点) ，是角色要达到的场景目标：角色目标是要达到的职业、生理或心 6 第1 节绪论 理的特征。角色a g e n t 通过预先设定的其具备的性格、爱好、情绪、身份、动机 等特征来选择相应得动作，这些动作一环扣一环，从而生成一个连续的情节的故 事。 p a b l og e r v a s 和b e l e nd i a z a g u d 6 等人【2 9 组成的研究小组从另一个方面研究 情节的展开。从商业角度，他们意识到由于通讯技术的发展及信息的极大丰富， 制约娱乐产业发展的瓶颈已经由技术转向了内容本身。全自动生成故事情节是娱 乐界一个奢侈的梦，是不现实的，但人们依然希望一种快捷、迅速的方式生成故 事原型以触发灵感，理想的情况下将原型加以修饰从而生成故事。为此p a b l o g e r v h s 禾n b e l e l ld i a z a g u d o 等人组成的研究小组研制了自动故事生成系统。该系 统建立在已有故事脚本的基础上，由用户将系统要求的一些环境变量、人物特征 及人物要做的动作信息等初始化，然后采用基于事例的方法推理采用本体技术搭 建的知识网络获得基本的情节结构，最后准备运用自然语言生成技术将新生成的 情节用自然语言描述出来。 1 2 3 本体的研究现状 本体( o n t o l o g y ) t 3 0 】作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型 建模工具，自提出以来就引起了国内外众多科研人员的关注，并在计算机的许多 领域得到了广泛应用，本文就本体应用现状问题做了广泛调研，总结出本体应用 的几大领域包括智能信息检索、数字图书馆、网络教学、企业本体、电子邮件过 滤、文档归类、文体求解、需求分析、知识管理、信息集成、机器翻译等，下面 将进行详细阐述。 1 智能信息检索 传统的信息检索方法或搜索引擎，无论是关键字匹配还是结合布尔逻辑运算 提供更为复杂的查询表达式，都是以关键字匹配为基础的。这种方法有两种缺陷： ( 1 ) 检索结果只是在字面上符合用户的要求，实际内容往往偏离用户的需要； ( 2 ) 用户输入的查询稍有偏差，检索系统就无法提供正确的结果。 为了解决这些问题，人们尝试从语义的角度进行考虑，提出了各种新的方法 和技术。本体作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型建模工具 被应用到信息检索中来。 由s t a n f o r d 、微软以及w 3 c 的研究者们共同开发的t a p t 3 l 】就是采用语义检 索技术实现的搜索引擎。t a p 采用半自动技术从自由文本和半结构化数据中抽取 知识，在对文档进行语义分析后，采用自动或人工的方式将其转化为语义网文档 格式，此后使用较传统检索更深入的结构化知识来提供更准确的结果。 a t & t 建立了一个应用本体技术的信息检索系统f i n d u r t 3 2 】系统通过使用描 述逻辑系统规定的描述逻辑语法，表达了w o r d n e t 中定义的词汇间的同义、上 北京t 业大学：l 学硕士学位论文 义和下义关系，获得简单的背景知识，并调用推理系统来完成推理任务，得到某 个词汇的同义词集合、上义词集合以及下义词集合从而可以实现查询扩展。但该 系统从本质上仍然是基于语法的，因其并没有使用本体中的词汇去标记文档，只 是强调利用本体来实现查询扩展，而查询输入的词汇本身也并非是依据本体中的 词汇来建立。 中科院计算所智能信息处理开放研究实验室建立的基于本体论和多主体的 信息检索服务器【3 3 是一种利用多智能主体和本体理论设计的信息检索服务器，集 成了界面主体、预处理主体、管理主体、信息处理主体和具有移动性的信息搜集 主体，并利用本体对文档进行领域分类，同时对用户的查询信息进行规范。文献 畔】介绍了一个基于本体的信息检索主体m e l s i a ，用于在医疗专业领域检索参考 文献。但这两项研究都没有使用形式化的本体语言来建立本体，没有考虑本体的 推理问题，对本体的应用还是很粗略的。 2 数字图书馆 数字图书馆是一个海量分布式数据库，将图书馆馆藏信息实现数字化处理， 经过加工整理，提供上网服务，供读者随时随地查阅。目前数字图书馆存在着诸 多问题【3 5 j ： ( 1 ) 异构系统之间的互操作问题。随着越来越多的组织机构加入到数字图书 馆系统的建设中来，由于不同组织机构进行数字图书馆系统建设的目的、方式、 运行手段各不相同，从而在技术上采用的平台、协议、体系结构也各不相同。 ( 2 ) 目前的数字图书馆在信息表达和检索方面存在缺陷。没有提供计算机可 读的语义信息，因此限制了计算机在信息检索中的自动分析处理以及进一步的智 能化处理的能力。 ( 3 ) 目前的数字图书馆多以传统的关键词检索为主。由于字义本身与其概念 的延伸不在同一级上，使得检索结果可能仅仅与字面意义或某层的意义相匹配， 但人们想要的往往是这个信息的概念及其相关的成分，而不仅仅是字面所表达的 意思。 为了解决上述问题，国内外许多学者将本体技术引入到数字图书馆中，目前 尚属于研究阶段，未发现原型系统。 本体在数字图书馆中期待能起到的作用如下：提供智能代理与信息环境之间 基于语义的理解机制；跨平台、跨系统之间的通信中介；分布环境下的语义检索； 数字图书馆中的数据挖掘等。 3 网络教学 网络教育是一种通过技术的应用在教师和学生之间实现教学资源的转化和 教学活动开展的教育形式。这种技术就是基于计算机应用的多种媒体技术以及通 讯技术等的综合，在教与学之间通过互联网和万维网等完成教与学的交互，并辅 之以多种教学媒体资源的综合应用。对比传统的教学方式，e 1 e a r n i n g 学习者的 篼1 辛绪论 曼i i i 一i i 一_ i i 笪i 学习时间和地点比较自由，且具有资源共享和交互性的突出优势。 现有被广泛使用的网络课件是一种预先定义好的资源，只支持对内容的简单 检索。若需要对课程概念及其关系进行更好的定义，可以采用元数据对学习材料 进行组织的方法。目前在e 1 e a r n i n g 领域采用的元数据标准有i e e el o m 等标准。 这些标准可以把把学习资料的关系连接起来，但是它存在“仅仅建立在元数据之 上，缺乏语义”的缺点。结果造成无法集成其他作者的材料，对语义检索支持也 不够。本体作为一种知识表示和组织的手段，具备解决这些问题的能力。 4 企业本体 企业本体( e n t e r p r i s eo n t o l o g y ) t 3 6 项目是英国爱丁堡大学和i b m 等三家公司 联合开发的项目，这一项目得到了英国政府工业与贸易部门的赞助。企业本体是 与商业和贸易有关的术语和定义的集合。企业本体项目的首要目的是促进基于知 识的系统在企业建模中的应用，希望在复杂的管理环境下给与企业有效地支持。 项目的重点在于管理创新和管理改革中i t 技术的应用。企业本体可以划分为行 为与过程、组织、策略、营销等几个主要部分。目前企业本体的o n t o l i n g u a 语言 编码被存放在斯坦福大学k s l 实验室的本体文库中，但只有利用o n t o l i n g u a 编 辑工具的浏览器才能浏览。 哈尔滨工业大学计算机科学与工程系一直致力于企业本体论系统构建和相 关理论的研究，他们也取得了一些成果。 5 电子邮件过滤 电子邮件己成为人们一种快捷、经济的通信手段，但它给人们带来方便的同 时也产生了大量无用的垃圾信息，即我们平常说的垃圾邮件。每天处理大量的垃 圾邮件对用户来说是件痛苦的事情，各种组织和个人纷纷提出了垃圾邮件的过滤 方法，目前主要有以下几种【3 7 】： ( 1 ) 基于地址的过滤方法，包括地址过滤和安全认证。地址过滤是指在地址 拒绝列表中人工增加许多“黑名单”，地址包含在“黑名单 列表中的邮件将被 删除或者拒绝接受。这种方法需要人工参与，但是垃圾邮件发送者往往假冒地址， 如果垃圾邮件过多，这将给过滤带来难度；安全认证方法是说用户a 向用户b 发送邮件时必须到用户b 的邮件服务器上进行登记，得到授权，否则邮件服务 器拒绝接收。这样虽然有效的防止未经认证的用户发来邮件，具有很高的安全性， 但影响了邮件的易用性。 ( 2 ) 基于邮件内容的过滤方法，包括规则判断、统计方法和语义分析。基于 规则的方法很多时候是基于关键字匹配的邮件过滤，虽然能够处理邮件头和正 文，但实质还是生硬的二值判断，局限在二线空间上，因为缺少可信度方面的知 识，同时要求用户自己定义自己的规则，因此对用户素质要求比较高，用户需要 花费很多的时间来定义规则，如果用户的兴趣发生变化，规则也要进行很大的改 变，另外规则纯粹人工定制，可能考虑并不周全；统计的方法由于忽略了具体的 北京t 业大学t 学硕士学位论文 语义环境，因此也只能区分合法邮件和垃圾邮件，很难进行深入分类；语义分析 方法主要对敏感关键字出现的单句进行分析，依据主语、谓语、宾语的性质确定 单句的表达含义。这在一定程度上可以对邮件进行判断，但是它是基于单句的理 解，以偏概全，往往把非垃圾邮件当成垃圾邮件。垃圾邮件问题不能被很好解决 的根本原因是计算机不能像人一样理解邮件的内容。 6 文档归类 随着网络信息的飞速发展，纯手工的信息归类手段已经严重影响信息处理的 进程。如何在浩若烟海而又纷繁芜杂的文本中快速而有效地掌握最有用的信息始 终是信息处理的目标。因此自动化的信息归类处理越来越受到人们的重视，其中 文本自动归类系统是信息归类处理的重要研究方向，它的功能是在给定的归类体 系下，根据文本的内容自动判别文本的类别。如今，各领域的新事务、新概念正 层出不穷，基于关键词索引的传统文档归类技术很难处理新概念或者与原有概念 相关的概念，而基于领域本体事件驱动的文本归类方法则较好地解决了该问题， 该方法应用了最新的领域本体知识推理技术并结合事件构造、分词等关键技术能 依据文本的语义将大批量的文本自动分i - j 另o 类，从而更好地帮助人们把握文本信 息，提高文本信息处理效率。 上文提到的中科院计算所智能信息处理开放研究实验