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儿童交通安全教育虚拟教师

儿童交通安全教育虚拟教师. 熊文建. 相关领域的介绍 智能教学系统 (ITS, Intelligent Tutoring System) 交互式讲故事 (Interactive Storytelling) 儿童交通安全智能教学系统 目标 系统模块和各模块设计 总结 不足与下阶段工作. 智能教学系统 (ITS). 广意上的智能教学系统包括所有具有智能机制并应用于教学领域的软件或程序。 完整意义上的智能教学系统要求根据学生掌握教学内容的情况做出反应，这需要对学生进行建模，评估学生目前的状态，并采取相应的策略。. ITS 的主要内容模块. 交互方式 专家模块

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儿童交通安全教育虚拟教师

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Presentation Transcript

  1. 儿童交通安全教育虚拟教师 熊文建

  2. 相关领域的介绍 • 智能教学系统 (ITS, Intelligent Tutoring System) • 交互式讲故事 (Interactive Storytelling) • 儿童交通安全智能教学系统 • 目标 • 系统模块和各模块设计 • 总结 • 不足与下阶段工作

  3. 智能教学系统(ITS) • 广意上的智能教学系统包括所有具有智能机制并应用于教学领域的软件或程序。 • 完整意义上的智能教学系统要求根据学生掌握教学内容的情况做出反应，这需要对学生进行建模，评估学生目前的状态，并采取相应的策略。

  4. ITS的主要内容模块 • 交互方式 • 专家模块 • 领域知识包括描述性知识和过程性知识 • 理解机制 • 学生模型 • 对学生掌握教学内容的情况建模 • 对学生模型的评估 • 教学策略

  5. Steve

  6. Steve • 交互方式：简单的语音命令和半实体仿真器械。 • 领域知识：具有因果关系的任务网络。 • 用户行为：根据虚拟环境状态的改变识别。 • 用户行为评价：根据因果推理评价。 • 可扩展性：适于复杂但结构良好的任务，比如大型机器的操作和维护训练。

  7. MRE (Mission Rehearsal Exercise system)

  8. MRE • 交互方式：自然语音命令。 • 领域知识：在Steve的基础上增加了情绪，采用评价机制感知、产生和表现情绪。

  9. 其它智能教学系统

  10. 其它智能教学系统

  11. 其它智能教学系统

  12. Interactive Storytelling

  13. 相关领域的介绍 • 儿童交通安全智能教学系统 • 目标 • 系统模块和各模块设计 • 总结 • 不足与下一阶段工作

  14. 基本目标 • 设计并实现一个具有良好的可扩展性的儿童交通安全智能教学系统模型，其中包括一个具有示范、监督等教学功能的虚拟教师。 • 示范遵守交通规则行为的能力，对学生的操作做出适当的反应。 • 示范和监督过程中要求丰富的语言和肢体语言描述能力，并能回答学生某些问题。 • 可扩展的内容包括虚拟场景的地图，虚拟交通设施的非本质属性，交通行为的定义，描述性知识。

  15. 系统结构图

  16. 系统结构 • 用户可以控制虚拟替身，也可以与虚拟教师交互； • 虚拟环境和虚拟替身会发送某些事件消息给虚拟教师； • 虚拟教师能够控制虚拟环境和虚拟替身； • 虚拟教师、虚拟环境、虚拟替身都需要将自己的状态写入内存模型中； • 虚拟教师和虚拟替身需要读取内存模型，而虚拟环境中的智能物体，如汽车等，也要读取内存模型； • 内存中存储着虚拟教师、替身和环境的抽象模型，目前对虚拟教师和替身的建模只考虑空间属性。

  17. 系统结构图

  18. 虚拟教师的模块图

  19. 系统结构 • 感知层，接收外部事件和用户命令，激发认知行为和物理行为； • 认知行为层 • 示范模式，首先规划全局路径，然后进行局部路径和行为的规划，并激发物理层行为； • 监督模式，识别虚拟替身行为，结合路径规划结果进行评价，并根据结果激发物理层行为； • 提示合成模块的功能是根据提示请求，收集并组织提示信息片段，合成最终的提示内容。 • 虚拟教师的物理层不仅能够控制自身的物理行为，还能控制虚拟替身和场景的行为。

  20. 虚拟教师的模块图

  21. 领域知识 • 虚拟场景空间结构 • 路径 • 当前关注的交通设施 • 交通设施及其对应的交通规则 • 交通设施建模 • 交通行为建模，包括行为产生和行为识别

  22. 虚拟场景空间结构建模

  23. 寻路算法 ① 将起点和终点插入接口图；② 在接口图中进行路径搜索；③ 回溯确定导航点。输出结果：接口路径及其导航点列表，栅格路径

  24. 结点图和A*算法 • A*（A-Star)算法是一种静态路网中求解最短路最有效的方法。估价函数： f(n)=g(n)+h(n), 其中f(n) 是节点n从初始点到目标点的估价函数，g(n) 是在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价，h(n)是从n到目标节点最佳路径的估计代价。当h(n)<= n到目标节点的距离实际值，则能得到最优解。当 h(n)>实际值, 则不能保证得到最优解。

  25. 虚拟教师的模块图

  26. 虚拟教师的基本行为能力 • 行为执行能力 • 动画的执行 • 语音 • 事件感知能力 • 用户控制命令 • 与虚拟环境状态有关的变化 • 与虚拟替身状态有关的变化 • 计时能力

  27. 虚拟教师的模块图

  28. 示范行为定义 当前状态 If …… then…… 自身状态模型 交通设施状态模型 行为规划 任务描述：从当前位置在遵守交通规则的情况下到达当前的导航点。

  29. 行为判定 • 单帧行为 • 比如红灯状态下过马路 • 根据当前状态与行为定义比较 • 如行为规划那样的方法判定 • 持续性行为 • 比如在斑马线中间逗留20秒 • 具有时间持续性的行为

  30. 触发事件 维持事件 中断事件 结束状态 行为持续过程 触发状态 中断状态 具有时间持续性的行为建模 • 需要判定以下一些行为： • 在斑马线上逗留20秒； • （在斑马线上时）交通灯变黄色后3秒内作出跑的动作； • 替身5秒内没有动作…… • 由触发事件、中断事件、持续事件、持续时间和触发状态、中断状态、结束状态组成。

  31. 具有时间持续性的行为建模

  32. 提示合成 • 根据不同的提示请求和当前推理过程收集并组织提示信息。 • 比如全局路径介绍提示请求要求收集并组织当前全局路径中的提示信息。 • 提示信息包括文本信息和提示动作信息。

  33. 虚拟教师的模块图

  34. 总结 • 设计了具有虚拟教师并且具有一定通用性的交通安全教学系统； • 提出了具有时间持续性行为的模型。 主要的不足 • 虚拟教师本质上只是一个反应式智能主体，没有推理机制；

  35. 下一步工作 • 添加推理机制 • 认知层 • 控制层 • 自然人机交互 • 听觉：语音识别和简单的命令理解 • 视觉：手指点物体

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