RoboShell

Shell for creating intelligent talking robots

Данный проект позволяет создавать говорящих роботов, которые могут видеть своих собеседников и реагировать на их эмоции и параметры. Для создания механизма поведения робота используется продукционная база знаний прямого вывода.

Архитектура системы

В основе системы лежит универсальное приложение Windows 10 (UWP), которое может работать на ПК под управлением Windows 10 или на Raspberry Pi с Windows 10 IoT. В приложении осуществляется доступ к камере и распознавание наличия лица. Когда лицо найдено, оно отправляется на анализ в Face API и Emotion API, и полученные данные подаются на вход экспертной системе.

Экспертная система реализована в отдельном проекте RuleEngine. База знаний, задающая поведение робота, описывается на специальном языке представления знаний, основанном на продукционном представлении, с XML-синтаксисом.

UWP-приложение осуществляет распознавание попадания лица в кадр и выпадения из него. При этом осуществляется задержка в 1-3 секунды, чтобы убедиться, что лицо действительно стабильно появилось в кадре или исчезло, и это не вызвано временным изменением освещения. При попадании лица в кадр на 3 секунды, происходит его распознавание, и генерируется событие FaceIn, т.е. в базу знаний добавляются следующие переменные:

• Event = FaceIn
• FaceCount - количество распознанных лиц
• Gender - пол, который может быть M, F, MF (группа лиц с преобладанием мужчин) или FM (группа лиц с преобладанием женщин)
• Age - возраст (или средний возраст всех лиц в кадре), округленном до целого

При выпадении лица из кадра все переменные очищаются, и генерируется событие FaceOut (т.е. добавляется переменная Event=FaceOut).

При нажатии клавиш 0..9, инициируется событие Event=Key_x. После обработки события рекомендуется очистить переменную Event, поскольку автоматически это не происходит, что может быть интерпретировано как нажатие этой же клавиши при переходе в другое состояние. Типичный шаблон обработчика клавиши такой:

<Rule>
  <If><Compare Var="Event" Value="Key_5"/><Compare Var="State" Value="St0"/></If>
  <Then><Clear Var="Event"/><Say Text="Something"/><Assign Var="State" Value="St1"/></Then>
</Rule>

Когда перед экраном нет лица, периодически генерируются события Event=Ping. Их можно использовать, чтобы робот сам по себе что-то делал. Периодичность событий задаётся в файле Config.cs.

При работе приложения можно также нажимать следующие системные клавиши:

• S - печатать значение переменных в отладочной консоли

Язык представления знаний

Правила

Программа робота состоит из правил, каждое правило имеет набор условий (<If>...</If>), при выполнении которых выполняется набор действий Actions, перечисленных в <Then>...</Then>. Все действия выполняются по-очереди.

Возможные действия правил:

• присвоение значений переменным (<Assign Var="Name" Value="Value">)
• очистка значения переменной (<Clear Var="Name">)
• проговаривание фразы (<Say Text="..."/>)
• случайный выбор одного из нескольких действий (<OneOf>...</OneOf>)
• внешние события-расширения, описанные в оболочке (<External>)

Условия могут быть следующего вида:

• Сравнение переменной со значением <Compare Var="Name" Type="xx" Value="..."/>, где Type - вид сравнения (eq - равно, ne - не равно, gt - больше, lt - меньше). Если тип опущен, то подразумевается eq
• Проверка попадания переменной в диапазон <Interval Var="Name" Min="..." Max="..."/>
• Составные условия: <And>...</And> и <Or>..</Or>. Если в теге <If> перечислено несколько условий, то подразумевается <And>

Все правила выполняются в порядке приоритетов (Priority), затем в порядке следования - т.е. первым выполняется первое правило с минимальным приоритетом, все условия которого истины. При этом правило помечается как выполнившееся, и в следующий раз выполняться уже не будет.

Возможно также объединять правила в RuleSet-ы. При этом:

• Если первое выбранное правило входит в RuleSet, то будет выполнено случайным образом произвольное из истиных правил в данном RuleSet-е
• После выполнение правила, входящего в RuleSet, весь RuleSet помечается как выполненный

Структура базы знаний

База знаний начинается тегом <RuleEngine>, и состоит из секции правил <Rules>...</Rules> и начального состояния - множества предустановленных переменных, описываемого в секции <State>.

Выражения-шаблоны

При присвоении значений переменным и при сравнении можно использовать специальные шаблоны, включающие в себя символы { и }. Основные виды шаблонов:

• Подстановка значения переменной ${Var}. Подстановка всегда выполняется первой, чтобы после подстановки могли правильно примениться другие шаблоны
• Случайный выбор одной из строк {A|B}. Это удобно использовать для обогащения речи робота, например

<Say Text="Oh, you are such a {nice|cool|cute|brave} human!"/>

• Переключатель {X:a=A|b=B|C}. Выражение X сравнивается по-очереди с каждым из вариантов: если X=a, то возвращается A, если X=b - B, в противном случае возвращается C. Например:

<Say Text="Oh, you are such a {nice|cool|cute|brave} {{$Gender}:M=man|F=woman}!"/>

Внешние события

В данной реализации поддерживаются следующие внешние операции:

• <External Command="Recapture" Param="..."> - произвести повторный захват изображения с камеры. Параметры могут быть следующими:
  • EndSpeech - сразу после окончания фразы
  • After:xx - после заданного количества секунд (удобно использовать для захвата изображения где-то в середине фразы)
  • параметр отсутствует - немедленный захват
• <External Command="LED" Param="XX:xxxxx"> - отобразить изображение на LED-панели. XX - имя панели (в текущем варианте используется LE и RE для левого и правого глаза и M для рта)