Integrating Mind and Environment for the Generation of Emerging Behaviors in Autonomous Virtual Characters Through the Evolution of Artificial Neural Networks

The user’s sense of immersion requires not only high visual quality of the virtual environment, but also accurate simulations of dynamics to ensure the reliability of the experience. In this context, the way the characters behave in a virtual environment plays a fundamental role. The problem that remains open is: “What needs to be done for autonomous virtual characters to display natural/realistic behaviors?”. A behavior is considered autonomous when the actions performed by the agent result from a close interaction between its internal dynamics and the circumstantial events in the environment, rather than from external control or specification dictated by a predefined plan. Thus, an autonomous behavior should reflect the details of the association between the character and its environment, resulting in greater naturalness and realistic movements. Therefore, it is proposed that the behavior is considered natural if it maintains coherence between the character’s body and the environment surrounding it. To an external observer, such coherence is perceived as intelligent behavior. This notion of intelligent behavior arose from a current debate, in the field of Artificial Intelligence, about the meaning of intelligence. Based on the new trends that came out from those discussions, it is argued that the level of coherence required for natural behavior in complex situations can only be achieved through emergence. In addition to the conceptual support of the emergentist approach to generating behavior of virtual characters, this study presents new techniques for implementing those ideas. A contribution of this work is a novel technique for the enconding and evolution of Artificial Neural Networks, which allows the development of controllers to explore the possibilities of generating behaviors through emergence. Evolution without objective description is also explored through the simulation of sexual reproduction of characters. In order to validate the theory, experiments involving a virtual robot were developed. The results show that self-organization of a system is indeed able to produce an intimate coupling between agent and environment. As a consequence of the adopted approach, it were achieved behaviors quite consistent with the character’s capabilities and environmental conditions, with or without description of objectives. The proposed methods were sensitive to changes in the environment and in the robot’s sensory apparatus, proving robustness on generating functional visual cortices, either with proximity sensors or with virtual cameras, interpreting its pixels. It is also emphasized the generation of different types of interesting behaviors, without any description of objectives, in experiments involving simulated reproduction.O senso de imersão do usuário em um ambiente virtual requer não somente alta qualidade visual gráfica, mas também comportamentos adequados por parte dos personagens virtuais, isto é, com movimentos e ações que correspondam às suas características físicas e aos eventos que ocorrem em seu meio. Nesse contexto, percebe-se o papel fundamental desempenhado pelo modo como os agentes se comportam em aplicações de RV. O problema que permanece em aberto é: “Como obter comportamentos autônomos naturais e realistas de personagens virtuais?”. Um agente é dito autônomo se ele for capaz de gerar suas próprias normas (do grego autos, "a si mesmo", e nomos, "norma", "ordem"). Logo, autonomia implica em ações realizadas por um agente que resultam da estreita interação entre suas dinâmicas internas e os eventos ocorrendo no ambiente ao seu redor, ao invés de haver um controle externo ou uma especificação de respostas em um plano pré-definido. Desse modo, um comportamento autônomo deveria refletir os detalhes da associação entre o personagem e o ambiente, implicando em uma maior naturalidade e realismo nos movimentos. Assim, chega-se à proposta de que um comportamento é considerado natural se ele mantém coerência entre o corpo do personagem e o ambiente ao seu redor. Para um observador externo, tal coerência é percebida como comportamento inteligente. Essa noção resulta do atual debate, no campo da Inteligência Artificial, sobre o significado da inteligência. Baseado nas novas tendências surgidas dessas discussões, argumenta-se que o nível de coerência necessário a um comportamento natural apenas pode ser alcançado através de técnicas de emergência. Além da defesa conceitual da abordagem emergentista para a geração de comportamento de personagens virtuais, este estudo apresenta novas técnicas para a implementação dessas ideias. Entre as contribuições, está a proposta de um novo processo de codificação e evolução de Redes Neurais Artificiais que permite o desenvolvimento de controladores para explorar as possibilidades da geração de comportamentos por emergência. Também é explorada a evolução sem objetivo, através da simulação da reprodução sexuada de personagens. Para validar a tese, foram desenvolvidos experimentos envolvendo um robô virtual. Os resultados apresentados mostram que a auto-organização de um sistema é de fato capaz de produzir um acoplamento íntimo entre agente e ambiente. Como consequência da abordagem adotada, foram obtidos comportamentos bastante coerentes com as capacidades dos personagens e as condições ambientais, com ou sem descrição de objetivos. Os métodos propostos se mostraram sensíveis a modificações do ambiente e a modificações no sensoriamento do robô, comprovando robustez ao gerar córtices visuais funcionais, seja com sensores de proximidade, seja com câmeras virtuais, interpretando seus pixels. Ressalta-se também a geração de diferentes tipos de comportamentos interessantes, sem qualquer descrição de objetivos, nos experimentos envolvendo reprodução simulada