虚拟对象交互结构和行为的统一建模方法

During virtual product design, there are numerous time-consuming human-machine interactions. In interaction activities, inherent associations exist between interactive structure and interactive behavior of virtual objects. If these associations can be modeled to enhance virtual objects' autonomous interaction abilities, important theoretic and scientific values may be obtained, so that a certain of intelligent virtual environment can be facilitated to come appear..Therefore, this project aims to model virtual object's interactive structure and behavior in a uniform way, and form a new strategy to enhance the virtual objects' autonomous interaction abilities. First, a concept of feature pair (FP) is introduced based on individual structures of interaction objects; FP lays the foundation of a constructive approach to model interactive structure and its constructing process. Second, considering the built-in association between interactive structure and behavior, here we propose a stimulus behavior model based on the matching process of FP; this model is expected as a carrier integrating the geometrical and physical properties of real interaction objects. Finally, the laws behind interaction process and behavior states will be explored to establish a discrete state space of virtual interaction, which can rest the global analysis, control and optimization for interaction activeties on a solid ground. Through the theorectic research and experiment analysis, the built-in association between the processes of interactive structure constructing and behavior performing is to be revealed from a micro-perspective, forming a basis of virtual objects' autonomous interaction. Thus, the theoretic and methodological systems for intelligent virtual product development can be complemented and enriched.

虚拟产品开发中冗繁的人机交互操作，是消耗人们时间和精力的关键环节。依托虚拟对象交互结构和行为的内在统一性，探讨主-客体对象的自主交互问题，对促进虚拟环境智能化发展有重要的理论意义和科学价值。.本项目研究虚拟对象交互结构和行为的统一建模方法，提出一种解决虚拟对象自主交互问题的新思路。首先，以虚拟对象的个体结构为基础，采用主-客体对象的交互特征偶构造方法，实现交互结构及其产生过程的统一表征；其次，分析偶匹配与行为执行过程的相互影响，融合对象几何和物理特性实施应激式交互行为建模；然后，研究交互活动和行为状态的演化规律，采用离散状态空间分析、控制和优化动态虚拟交互过程。通过上述理论研究和实验分析，从微观角度揭示交互结构产生和行为执行过程的内在关联，奠定虚拟对象自主交互的实现基础，补充和丰富智能虚拟产品开发理论和方法体系。

随着电子、信息等先进理论和技术的发展，由计算机及其外围系统构成的虚拟环境在产品业务活动中发挥的作用日益重大。虚拟对象结构和行为建模是支撑虚拟环境中产品业务活动的两个重要方面，而有效地展现产品结构和行为在深层次上的统一性，实现结构和行为的深层次关联，对于减少冗繁的人机交互建模操作，促进虚拟环境智能化发展具有重要意义。项目研究了一种虚拟对象交互结构和行为的统一建模方法，对产品结构和行为之间存在的紧密关联进行充分描述，并在结构建模中进一步融入设计意图，从而提高虚拟对象交互的自主性和智能性。项目进行以下研究工作：（1）进行了虚拟对象交互结构和交互行为的构造及表征。采用交互特征偶（Interaction Feature Pair, IFP）统一描述虚拟对象交互时的交互结构及其形成过程，通过IFP构造算子和函数形成了基于IFP的交互结构构造表示法，实现了虚拟环境中交互结构和行为的紧密关联；依托有限状态机理论建立了IFP行为模型，实现了行为动态执行过程与交互结构形成过程的统一。（2）建立了基于IFP的产品结构建模方法。首先对自底向上的产品建模流程进行改进，提出了在零件建模阶段关联IFP的零件预装配方法，进而形成了对关联到模型中的IFP进行实例化从而实现装配约束的装配建模方法。其次提出了以IFP作为控制结构和建模元素的自顶向下结构建模方法。两种方法都实现了对象交互意图在模型中的融合。（3）提出了虚拟交互活动的状态空间分析与控制方法。首先将虚拟对象的交互活动抽象并映射到状态空间，并给出了IFP引导交互活动的状态空间表示方法。其次采用运动规划理论建立了由IFP引导的交互行为模型，实现了对虚拟对象实际交互活动的描述。最后结合随机运动规划方法设计了对交互行为进行分析和控制的算法，形成了交互行为模型的实现方法。（4）进行了交互结构和行为建模实验。在所开发的原型系统上，以复杂产品装配过程仿真为案例，从IFP结构和行为表示、基于IFP预映射的产品结构建模和交互行为分析与控制三个方面对装配过程中的虚拟交互问题进行了系统的实验验证。通过实验，验证了所提方法的可行性，探索了其在实际工程问题中的应用。项目共发表学术论文7篇，其中SCI索引3篇，SCI待索引2篇，EI索引6篇，EI待索引1篇；获得发明专利授权2项；培养博士研究生1人，硕士研究生2人。项目完成了预期研究指标，达到了预期研究目标。