[논문]지능형 가상인간의 공간적 행동을 모사하기 위한 지식구조

홍승완; 박종희

doi:10.5392/jkca.2020.20.12.230

지능형 가상인간의 공간적 행동을 모사하기 위한 지식구조
Knowledge Structures to Simulate the Spatial Behavior of Intelligent Virtual Humans 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.20 no.12, 2020년, pp.230 - 240

홍승완 (경북대학교 전자전기공학부) , 박종희 (경북대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

가상세계 기반 몰입형 가정교사 시스템을 개발하기 위해 상황의 다양성과 사실성을 최대화하기 위한 공간적 측면에서의 시뮬레이션을 개발하고자 한다. 이를 위해서는 가상공간의 모델링과 함께 가상인간들의 지식 및 지능적 사유기능이 필요하다. 먼저 공간의 계층적이고 다면적인 구성과 그에 상응하는 가상인간들의 지식을 모사하기 위한 정보구조가 필요하다. 구체적으로 2.5차원 공간분포표현, 복잡한 공간관계표현, 객체표현, 사건들의 시공간적 표현을 위한 네 개의 구조를 각각 개발한다. 그리고 이와 같이 표현된 지식을 사용하여 공간적인 이동을 하는데 필요한 가상인간의 공간적 사유 기능을 개발한다. 일반적으로 사건은 힘을 매개로 인접하거나 연결된 다른 객체들에게도 연쇄적으로 영향을 미쳐서 다양한 상황들이 펼쳐지며 관련된 가상인간들이 다음 행동을 계획하는 데에 반영된다. 이를 위해 시공간 표현구조 상에 역사적 흐름에 따라 사건들의 전개를 기록한다. 전형적 사건을 구현하여 가상인간의 복잡한 공간속에서의 자주적 행동의 실현가능성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

To develop a virtual world-based immersive tutoring system, we would like to develop a simulation in the spatial aspect to maximize the diversity and realism of the situation. This implementation requires the modeling of virtual space as well as the knowledge and intelligent thinking functions of virtual humans. First, information structures are needed to simulate the hierarchical and multifaceted composition of space and the corresponding knowledge of virtual humans. Specifically, four structures for 2.5D spatial distribution expression, complex spatial relationship expression, object expression, and temporal and spatial representation of events are developed respectively. It then uses these expressed knowledge to develop the spatial thinking function of virtual humans needed to make spatial movement. In general, events have a chain effect on adjacent or connected objects through force, resulting in a variety of situations and reflected in the planning of the next action by the virtual humans involved. For this purpose, the development of events according to historical trends is recorded on the representation structure of time and space. It embodies typical events to demonstrate the feasibility of independent behavior in complex spaces among virtual people.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 2.5차원 높이 표현
그림 그림 2. CM 그래픽 표현
그림 그림 3. SRG의 관계도
그림 그림 4. IG에 표현된 객체와 관계 및 관련된 STG
그림 그림 5. 에이전트의 이벤트 스케쥴링
그림 그림 6. 행동 중 예외 상황에 대한 Re-planning
그림 그림 7. SRG의 계층적 표현
그림 그림 8. 행동 단위 event planning
그림 그림 9. STG에서 Events 표시
그림 그림 10. STG에서 CM 표시
그림 그림 11. 가상인간이 방에서 빠져나온 부분 표시
그림 그림 12. 가상인간이 건물을 빠져나온 부분 표시
그림 그림 13. 가상인간이 방에서 짐을 찾는 상황
그림 그림 14. 짐이 엘리베이터 폭보다 더 넓은 상황
그림 그림 15. 버스 시간에 맞춰 탑승하는 상황
그림 그림 16. 도로공사 중으로 인해 버스를 놓친 상황

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 구현의 목표는 앞서 언급한 정보표현구조, 객체와 공간 모델링 방법, 행동 모델링 등을 통합적으로 사용하여 가상세계 속에서 가상인간들의 공간적 활동을 시뮬레이션 하는데 있다. 기본적으로 CM, IG, SRG와 STG 등의 네 가지의 정보구조들은 유기적으로 연계되어 같은 물리적 세계의 다른 측면들을 상호 보완적으로 표현한다.
본 논문에서는 가상세계의 상황을 구성하는 에이전트들의 행동의 공간적 측면을 모사하는데 필요한 지식 구조와 행동방법을 개발하는데 중점을 둔다. 먼저 공간적 측면을 표현하기 위한 네 가지 지식구조들 즉, 공간 분포를 2.
이러한 몰입형 교육 시스템의 성패는 가상세계에서 전개되는 교육적 상황들의 다양성과 사실성(fidelity)에 달려있다[5]. 본 연구에서는 이러한 교육학적 상황들의 공간적 측면에서의 다양성과 사실성을 최대화하는 시뮬레이션 방법을 개발하고자 한다.
이를 위해 에이전트가 plan을 실현하는 알고리즘을 priority queue 에 기반하여 개발한다. 이러한 지식구조들과 행동 방법을 예제상황에 적용하여 가상인간의 지능적 행동의 실현가능성을 보여준다.

가설 설정

IG에서 Dr3의 상태를 확인할 수 있으며 상태에 따라 close()/open()을 하게 된다. H1은 Dr3을 열고 L1을 타기 위해 이동을 한다.
H1이 BS1으로 가기 위해서는 F2의 level을 BS1의 level(L1)과 같아지도록 먼저 H1이 L1으로 이동해야 한다. H1은 R3에서 F2의 복도로 이동하기 위해 필요한 행동(walk())를 실행한다. 방을 나가기 위해 먼저 Dr3 이라는 공간객체를 통과하기 위해서 open()/close() 기능을 실행해야 한다.
그리고 소재링크를 확인해보면 Bd1과 목적지인 BS1이 함께 G상에 위치한다는 걸 알 수 있다. H1은 소재링크를 검색하며 자신이 현재 속해 있는 공간과의 Level이 근접해 있는 연결된 공간을 찾아 한 층씩 이동하며 G로 이동할 수 있다. 다시 말해, 공통된 공간 G까지 Level3에서 Level0으로 단말노드에서 루트로 이동했다면 G에서는 Level0에서 Level1로 역순으로 구체화하여 목적지 S1로 이동을 하면 된다.

제안 방법

CM과 SRG의 실시간 변화를 비교하기 위해 가상 인간이 들고 가는 짐이 있는지 또는 앞서 언급한 돌발 상 황(emergent situation)의 예로서, 도로가 예기치 못하게 공사 중인 경우들을 비교해서 SRG의 해당 변화를 살펴보고자 한다. 등장 객체로는 Human#1(H1), Human#2, Human#3(H2, H3), Human#4, Human#5(H4, H5), Box#1(Bx1), Room#3(R3), Door#3(Dr3), Lift#1(L1), Stair#1(St1), Bus#1(B1), Driver#1(D1) 이 등장한다.
가상 인간의 행동을 규율하는 지식의 수많은 측면들 중에서 공간적 측면에 초점을 맞추어 모사하였다. 가상 세계를 구성하는 요소들 중에서 물리적, 공간적 측면들을 표현하기 위하여 CM과 SRG를 개발했다. 이들을 IG와 STG라는 포괄적 지식구조에 연결하여 통합적 지식구조를 구현하였다.
가상 인간의 행동을 규율하는 지식의 수많은 측면들 중에서 공간적 측면에 초점을 맞추어 모사하였다. 가상 세계를 구성하는 요소들 중에서 물리적, 공간적 측면들을 표현하기 위하여 CM과 SRG를 개발했다.
이들을 IG와 STG라는 포괄적 지식구조에 연결하여 통합적 지식구조를 구현하였다. 구체적으로, 먼저 물리적 객체의 공간적 특성에 따라 Solid, Hollow, Composite Object들을 규정하고 공간에 관해 추상화된 위치와 공간 사이의 관계에 대한 정의를 하였고 이것을 바탕으로 공간 관계와 물리적 상황을 표현 하였다. 상황을 전개함에 있어 가상인간이 일방적 행동 대신 주변 환경 및 다른 가상인간들과 상호작용하며 주어진 상황에 따른 적절한 판단을 하도록 설계되었다[26].
이를 위해서 예기치 못한 돌발 상황들 (emergent situations)을 최대화하면서 저작 확장성 (authoring scalability)을 확보하는 것이 긴용하다[13]. 또한 기존 연구에서 개별적으로 구현되어 있던 CM, IG, SRG, STG의 구조를 서로 연동시켜 행동 스케쥴링과 priority queue[14]를 더해 event planning을 실행하는 구조를 구현한다.
본 논문에서는 가상세계의 상황을 구성하는 에이전트들의 행동의 공간적 측면을 모사하는데 필요한 지식 구조와 행동방법을 개발하는데 중점을 둔다. 먼저 공간적 측면을 표현하기 위한 네 가지 지식구조들 즉, 공간 분포를 2.5차원으로 표현하는 Contour Map(CM), 복잡한 공간관계를 표현하기 위한 Spatial Relation Graph(SRG), 객체들과 그들 사이의 관계에 대한 정보를 종합적으로 표현하는 Instance Graph(IG), 사건들을 시공간적 맥락 속에 위치시키기 위한 Spatio-Temporal Graph(STG)[11][12] 들을 개발한다. 상황의 시청각적 사실성(audio/visual realism)보 단 상황 전개의 다양성(variability)에 초점을 맞추는 면에서 기존의 가상현실 연구와 차별이 된다.
가상 세계를 구성하는 요소들 중에서 물리적, 공간적 측면들을 표현하기 위하여 CM과 SRG를 개발했다. 이들을 IG와 STG라는 포괄적 지식구조에 연결하여 통합적 지식구조를 구현하였다. 구체적으로, 먼저 물리적 객체의 공간적 특성에 따라 Solid, Hollow, Composite Object들을 규정하고 공간에 관해 추상화된 위치와 공간 사이의 관계에 대한 정의를 하였고 이것을 바탕으로 공간 관계와 물리적 상황을 표현 하였다.
이러한 구조들을 종합적으로 적용하여 공간적 행동을 수반하는 상황에 능동적으로 대처하는 방법을 개발한다. 이를 위해 에이전트가 plan을 실현하는 알고리즘을 priority queue 에 기반하여 개발한다.
이러한 구조들을 종합적으로 적용하여 공간적 행동을 수반하는 상황에 능동적으로 대처하는 방법을 개발한다. 이를 위해 에이전트가 plan을 실현하는 알고리즘을 priority queue 에 기반하여 개발한다. 이러한 지식구조들과 행동 방법을 예제상황에 적용하여 가상인간의 지능적 행동의 실현가능성을 보여준다.

데이터처리

기본적으로 CM, IG, SRG와 STG 등의 네 가지의 정보구조들은 유기적으로 연계되어 같은 물리적 세계의 다른 측면들을 상호 보완적으로 표현한다. 구현에는 Visual C++(MFC) 와 Open GL을 사용하였으며, 시간에 따른 객체에 관한 정보와 지식을 데이터베이스의 틀을 벗어나 유연하게 저장하기 위해 메모장을 이용하여 구현하였다.

성능/효과

이러한 시점의 기록들은 가상 인간의 기억 속에 남아 추후에 유사한 상황에서 이용할 수 있다. 결과적으로 시간적 공간적 줌인 기능 등을 가지게 됨으로써 시공간을 통합한 역사적 문맥을 입체적으로 나타내고 계층적인 구조를 갖는 인간의 지식구조를 기능적인 면에서 실제와 유사하게 동작하도록 시뮬레이션하게 해준다.

후속연구

본 연구에서는 인과관계에 따른 물리적 연쇄반응과 동적으로 움직이는 객체들을 포함하는 상황을 모사할 수 있었지만 가상인간이 이벤트를 계획할 때 현재 상황에 맞는 행동을 선택하기 위해 각 행동에 대한 평가를 하고 선택하는 방법에 대한 연구가 추가로 필요하다. 그리고 STG에서 과거의 상황전개를 분석하여 가상 인 간이 추후의 계획에 활용할 수 있는 구체적 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 인과관계에 따른 물리적 연쇄반응과 동적으로 움직이는 객체들을 포함하는 상황을 모사할 수 있었지만 가상인간이 이벤트를 계획할 때 현재 상황에 맞는 행동을 선택하기 위해 각 행동에 대한 평가를 하고 선택하는 방법에 대한 연구가 추가로 필요하다. 그리고 STG에서 과거의 상황전개를 분석하여 가상 인 간이 추후의 계획에 활용할 수 있는 구체적 방법에 대한 연구가 필요하다.

참고문헌 (28)

M. Cavazza, F. Charles, and S. Mead, "Emergent situations in interactive storytelling," In G. Lamont (Ed.), Proceedings of the 2002 ACM symposium on applied computing, ACM, pp.1080-1085, 2002.
R. Figueiredo, A. Brisson, R. Aylett, and A. Paiva, "Emergent Stories Facilitated," In: U. Spierling and N. Szilas (eds), Interactive Storytelling, ICIDS 2008, Lecture Notes in Computer Science, Vol.5334, Springer, Berlin, Heidelberg, 2008.
R. Hodhod, P. Cairns, and D. Kudenko, "Innovative integrated architecture for educational games: challenges and merits," Transactions on edutainment, Springer Berlin Heidelberg, pp.1-34, 2011.
T. Kim and J. Park, "Authentic Simulation of Spatial Environment in Cyber-Microcosm as the Ultimate Virtual-Reality Context for situated Language Learning," 13th Proc. of Laval Virtual, Laval, France, Apr. 8-11, 2011.
한형종, 임철일, "가상현실 기반 교육용 시뮬레이션 설계원리 개발," 교육공학연구, 제36권, 제2호, pp.221-264, 2020.
T. Gruber, "A translation approach to portable ontologies," Knowledge Acquisition, Vol.5, No.2, pp.199-220, 1993.

상세보기
T. Finin, KQML as an agent communication language, University of Maryland Baltimore County, 1995.
J Choi and J Park, "A student directed immersive intelligent tutoring system," 13th International Conference, ITS 2016, Zagreb, Croatia, Jun. 7-10, 2016.
J Park, "Implementation of an Agent-centric Planning of Complex Events as Objects of Pedagogical Experiences in Virtual World," International JOURNAL OF CONTENTS, Vol.12, No.1, pp.25-43, 2016.

원문보기 상세보기
S. H. Choe, J. H. Park, and S. S. Pyo, "Hierarchical Spatial Relation Based on a Contiguity Graph," INTERNATIONAL JOURNAL OF INTELLIGENT SYSTEMS, Vol.20, No.9, pp.867-892, 2005.

상세보기
조규명, 시공간 그래프를 이용한 가상현실 속의 상황 표현 방법, 경북대학교, 석사학위논문, 2010.
조규명, "가상현실 속의 상황 표현을 위한 시공간 그래프," 한국콘텐츠학회논문지, 제12권, 제8호, pp.1-12, 2012.

원문보기 상세보기
박종희, 최준성, "A Situation Simulation Method for Achieving Situation Variability and Authoring Scalability based on Dynamic Event Coupling," International Journal of Contents, Vol.16, No.1, pp.25-33, 2020.

원문보기 상세보기
박종희, 최준성, "A real-time simulation mechanism for unlimited variability of situations based on dynamic event coupling and parameterized animation against a background virtual world," Int'l Journal of Information Engineering and Electronic Business, Vol.7, No.2, pp.55-61, 2017.

상세보기
J. Park, The Ontology about the Microcosm, Tech. report #9, Kyungpook National Univ, AIMM Lab, 2001.
Gehrke Ramakrishnan, Database Management Systems, 3rded., McGraw-Hill Co., pp.606-607, 2003.
김석연, 연한별, 장윤, "중력 모델을 이용한 시공간 데이터의 시각화," 정보과학회논문지, 제43권, 제2호, pp.135-142, 2016.
M. Baur, U. Brandes, and M. Gaertler, Drawing the AS Graph in 2.5 Dimensions, Graph Drawing, 2005.
M. P. Kwan and J. Y. Lee, "Geovisualization of Human Activity Patterns Using 3D GIS: A Time-Geographic Approach," Spatially integrated social science, Vol.27, pp.721-744, 2004.
Yu-Tao Mo and Seok-Kyoo Kim, "Study of Game Interactive Storytelling Design : Focusing on The Elder Scrolls 5 Skyrim," Journal of The Korean Society for Computer Game, Vol.31, No.4, pp.17-28, 2018.
손용균, 김석규, "Design and Implementation of Character interaction based storytelling authoring tool," 한국컴퓨터게임학회논문지, 제31권, 제1호, pp.11-18, 2018.
F. Charles, M. Lozano, S. Mead, A. F. Bisquerra, and M. Cavazza, "Planning formalisms and authoring in interactive storytelling. In Technologies for interactive digital storytelling and entertainment," TIDSE 03 proceedings Fraunhofer IRB Verlag, 2003.
박재우, 가상 세계 거주자의 지각 메커니즘 설계 및 구현, 경북대학교, 석사학위논문, 2011.
박종희, 최준성, "A Simulation Method For Virtual Situations Through Seamless Integration Of Independent Events Via Autonomous And Independent Agents," International Journal of Contents, Vol.14, No.3, pp.7-16, 2018.

원문보기 상세보기
A. Zook, Stephen Lee-Urban, Mark O. Riedl, Heather K. Holden, Robert A. Sottilare, and Keith W. Brawner, "Automated scenario generation: toward tailored and optimized military training in virtual environments," Proc of Int'l Conference on the Foundations of Digital Games, ACM, 2012.
A. Shoulson, Francisco M. Garcia, Matthew Jones, Robert Mead, and Norman I. Badler, "Parameterizing Behavior Trees," In Motion In Games, Springer, pp.144-155, 2011.
M. Kapadia, S. Singh, G. Reinman, and P. Faloutsos, "A behavior-authoring framework for multiactor simulations," Computer Graphics and Applications, Vol.31, No.6, pp.44-55, 2011.
S. Ji, A knowledge Model for simulating Human-like Behavior of virtual Inhabitant, Tech. report, AIMM Lab., Kyungpook Nat'l Univ., 2007(12).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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