Human-Robot Interaction architecture for interactive and lively social robots

Mención Internacional en el título de doctorLa sociedad está experimentando un proceso de envejecimiento que puede provocar un desequilibrio entre la población en edad de trabajar y aquella fuera del mercado de trabajo. Una de las soluciones a este problema que se están considerando hoy en día es la introducción de robots en multiples sectores, incluyendo el de servicios. Sin embargo, para que esto sea una solución viable, estos robots necesitan ser capaces de interactuar con personas de manera satisfactoria, entre otras habilidades. En el contexto de la aplicación de robots sociales al cuidado de mayores, esta tesis busca proporcionar a un robot social las habilidades necesarias para crear interacciones entre humanos y robots que sean naturales. En concreto, esta tesis se centra en tres problemas que deben ser solucionados: (i) el modelado de interacciones entre humanos y robots; (ii) equipar a un robot social con las capacidades expresivas necesarias para una comunicación satisfactoria; y (iii) darle al robot una apariencia vivaz. La solución al problema de modelado de diálogos presentada en esta tesis propone diseñar estos diálogos como una secuencia de elementos atómicos llamados Actos Comunicativos (CAs, por sus siglas en inglés). Se pueden parametrizar en tiempo de ejecución para completar diferentes objetivos comunicativos, y están equipados con mecanismos para manejar algunas de las imprecisiones que pueden aparecer durante interacciones. Estos CAs han sido identificados a partir de la combinación de dos dimensiones: iniciativa (si la tiene el robot o el usuario) e intención (si se pretende obtener o proporcionar información). Estos CAs pueden ser combinados siguiendo una estructura jerárquica para crear estructuras mas complejas que sean reutilizables. Esto simplifica el proceso para crear nuevas interacciones, permitiendo a los desarrolladores centrarse exclusivamente en diseñar el flujo del diálogo, sin tener que preocuparse de reimplementar otras funcionalidades que tienen que estar presentes en todas las interacciones (como el manejo de errores, por ejemplo). La expresividad del robot está basada en el uso de una librería de gestos, o expresiones, multimodales predefinidos, modelados como estructuras similares a máquinas de estados. El módulo que controla la expresividad recibe peticiones para realizar dichas expresiones, planifica su ejecución para evitar cualquier conflicto que pueda aparecer, las carga, y comprueba que su ejecución se complete sin problemas. El sistema es capaz también de generar estas expresiones en tiempo de ejecución a partir de una lista de acciones unimodales (como decir una frase, o mover una articulación). Una de las características más importantes de la arquitectura de expresividad propuesta es la integración de una serie de métodos de modulación que pueden ser usados para modificar los gestos del robot en tiempo de ejecución. Esto permite al robot adaptar estas expresiones en base a circunstancias particulares (aumentando al mismo tiempo la variabilidad de la expresividad del robot), y usar un número limitado de gestos para mostrar diferentes estados internos (como el estado emocional). Teniendo en cuenta que ser reconocido como un ser vivo es un requisito para poder participar en interacciones sociales, que un robot social muestre una apariencia de vivacidad es un factor clave en interacciones entre humanos y robots. Para ello, esta tesis propone dos soluciones. El primer método genera acciones a través de las diferentes interfaces del robot a intervalos. La frecuencia e intensidad de estas acciones están definidas en base a una señal que representa el pulso del robot. Dicha señal puede adaptarse al contexto de la interacción o al estado interno del robot. El segundo método enriquece las interacciones verbales entre el robot y el usuario prediciendo los gestos no verbales más apropiados en base al contenido del diálogo y a la intención comunicativa del robot. Un modelo basado en aprendizaje automático recibe la transcripción del mensaje verbal del robot, predice los gestos que deberían acompañarlo, y los sincroniza para que cada gesto empiece en el momento preciso. Este modelo se ha desarrollado usando una combinación de un encoder diseñado con una red neuronal Long-Short Term Memory, y un Conditional Random Field para predecir la secuencia de gestos que deben acompañar a la frase del robot. Todos los elementos presentados conforman el núcleo de una arquitectura de interacción humano-robot modular que ha sido integrada en múltiples plataformas, y probada bajo diferentes condiciones. El objetivo central de esta tesis es contribuir al área de interacción humano-robot con una nueva solución que es modular e independiente de la plataforma robótica, y que se centra en proporcionar a los desarrolladores las herramientas necesarias para desarrollar aplicaciones que requieran interacciones con personas.Society is experiencing a series of demographic changes that can result in an unbalance between the active working and non-working age populations. One of the solutions considered to mitigate this problem is the inclusion of robots in multiple sectors, including the service sector. But for this to be a viable solution, among other features, robots need to be able to interact with humans successfully. This thesis seeks to endow a social robot with the abilities required for a natural human-robot interactions. The main objective is to contribute to the body of knowledge on the area of Human-Robot Interaction with a new, platform-independent, modular approach that focuses on giving roboticists the tools required to develop applications that involve interactions with humans. In particular, this thesis focuses on three problems that need to be addressed: (i) modelling interactions between a robot and an user; (ii) endow the robot with the expressive capabilities required for a successful communication; and (iii) endow the robot with a lively appearance. The approach to dialogue modelling presented in this thesis proposes to model dialogues as a sequence of atomic interaction units, called Communicative Acts, or CAs. They can be parametrized in runtime to achieve different communicative goals, and are endowed with mechanisms oriented to solve some of the uncertainties related to interaction. Two dimensions have been used to identify the required CAs: initiative (the robot or the user), and intention (either retrieve information or to convey it). These basic CAs can be combined in a hierarchical manner to create more re-usable complex structures. This approach simplifies the creation of new interactions, by allowing developers to focus exclusively on designing the flow of the dialogue, without having to re-implement functionalities that are common to all dialogues (like error handling, for example). The expressiveness of the robot is based on the use of a library of predefined multimodal gestures, or expressions, modelled as state machines. The module managing the expressiveness receives requests for performing gestures, schedules their execution in order to avoid any possible conflict that might arise, loads them, and ensures that their execution goes without problems. The proposed approach is also able to generate expressions in runtime based on a list of unimodal actions (an utterance, the motion of a limb, etc...). One of the key features of the proposed expressiveness management approach is the integration of a series of modulation techniques that can be used to modify the robot’s expressions in runtime. This would allow the robot to adapt them to the particularities of a given situation (which would also increase the variability of the robot expressiveness), and to display different internal states with the same expressions. Considering that being recognized as a living being is a requirement for engaging in social encounters, the perception of a social robot as a living entity is a key requirement to foster human-robot interactions. In this dissertation, two approaches have been proposed. The first method generates actions for the different interfaces of the robot at certain intervals. The frequency and intensity of these actions are defined by a signal that represents the pulse of the robot, which can be adapted to the context of the interaction or the internal state of the robot. The second method enhances the robot’s utterance by predicting the appropriate non-verbal expressions that should accompany them, according to the content of the robot’s message, as well as its communicative intention. A deep learning model receives the transcription of the robot’s utterances, predicts which expressions should accompany it, and synchronizes them, so each gesture selected starts at the appropriate time. The model has been developed using a combination of a Long-Short Term Memory network-based encoder and a Conditional Random Field for generating a sequence of gestures that are combined with the robot’s utterance. All the elements presented above conform the core of a modular Human-Robot Interaction architecture that has been integrated in multiple platforms, and tested under different conditions.Programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Fernando Torres Medina.- Secretario: Concepción Alicia Monje Micharet.- Vocal: Amirabdollahian Farshi

A Cloud-Based Extensible Avatar For Human Robot Interaction

Adding an interactive avatar to a human-robot interface requires the development of tools that animate the avatar so as to simulate an intelligent conversation partner. Here we describe a toolkit that supports interactive avatar modeling for human-computer interaction. The toolkit utilizes cloud-based speech-to-text software that provides active listening, a cloud-based AI to generate appropriate textual responses to user queries, and a cloud-based text-to-speech generation engine to generate utterances for this text. This output is combined with a cloud-based 3D avatar animation synchronized to the spoken response. Generated text responses are embedded within an XML structure that allows for tuning the nature of the avatar animation to simulate different emotional states. An expression package controls the avatar's facial expressions. The introduced rendering latency is obscured through parallel processing and an idle loop process that animates the avatar between utterances. The efficiency of the approach is validated through a formal user study

Command and Control Systems for Search and Rescue Robots

The novel application of unmanned systems in the domain of humanitarian Search and Rescue (SAR) operations has created a need to develop specific multi-Robot Command and Control (RC2) systems. This societal application of robotics requires human-robot interfaces for controlling a large fleet of heterogeneous robots deployed in multiple domains of operation (ground, aerial and marine). This chapter provides an overview of the Command, Control and Intelligence (C2I) system developed within the scope of Integrated Components for Assisted Rescue and Unmanned Search operations (ICARUS). The life cycle of the system begins with a description of use cases and the deployment scenarios in collaboration with SAR teams as end-users. This is followed by an illustration of the system design and architecture, core technologies used in implementing the C2I, iterative integration phases with field deployments for evaluating and improving the system. The main subcomponents consist of a central Mission Planning and Coordination System (MPCS), field Robot Command and Control (RC2) subsystems with a portable force-feedback exoskeleton interface for robot arm tele-manipulation and field mobile devices. The distribution of these C2I subsystems with their communication links for unmanned SAR operations is described in detail. Field demonstrations of the C2I system with SAR personnel assisted by unmanned systems provide an outlook for implementing such systems into mainstream SAR operations in the future

Intuitive Instruction of Industrial Robots : A Knowledge-Based Approach

With more advanced manufacturing technologies, small and medium sized enterprises can compete with low-wage labor by providing customized and high quality products. For small production series, robotic systems can provide a cost-effective solution. However, for robots to be able to perform on par with human workers in manufacturing industries, they must become flexible and autonomous in their task execution and swift and easy to instruct. This will enable small businesses with short production series or highly customized products to use robot coworkers without consulting expert robot programmers. The objective of this thesis is to explore programming solutions that can reduce the programming effort of sensor-controlled robot tasks. The robot motions are expressed using constraints, and multiple of simple constrained motions can be combined into a robot skill. The skill can be stored in a knowledge base together with a semantic description, which enables reuse and reasoning. The main contributions of the thesis are 1) development of ontologies for knowledge about robot devices and skills, 2) a user interface that provides simple programming of dual-arm skills for non-experts and experts, 3) a programming interface for task descriptions in unstructured natural language in a user-specified vocabulary and 4) an implementation where low-level code is generated from the high-level descriptions. The resulting system greatly reduces the number of parameters exposed to the user, is simple to use for non-experts and reduces the programming time for experts by 80%. The representation is described on a semantic level, which means that the same skill can be used on different robot platforms. The research is presented in seven papers, the first describing the knowledge representation and the second the knowledge-based architecture that enables skill sharing between robots. The third paper presents the translation from high-level instructions to low-level code for force-controlled motions. The two following papers evaluate the simplified programming prototype for non-expert and expert users. The last two present how program statements are extracted from unstructured natural language descriptions

Application-driven visual computing towards industry 4.0 2018

245 p.La Tesis recoge contribuciones en tres campos: 1. Agentes Virtuales Interactivos: autónomos, modulares, escalables, ubicuos y atractivos para el usuario. Estos IVA pueden interactuar con los usuarios de manera natural.2. Entornos de RV/RA Inmersivos: RV en la planificación de la producción, el diseño de producto, la simulación de procesos, pruebas y verificación. El Operario Virtual muestra cómo la RV y los Co-bots pueden trabajar en un entorno seguro. En el Operario Aumentado la RA muestra información relevante al trabajador de una manera no intrusiva. 3. Gestión Interactiva de Modelos 3D: gestión online y visualización de modelos CAD multimedia, mediante conversión automática de modelos CAD a la Web. La tecnología Web3D permite la visualización e interacción de estos modelos en dispositivos móviles de baja potencia.Además, estas contribuciones han permitido analizar los desafíos presentados por Industry 4.0. La tesis ha contribuido a proporcionar una prueba de concepto para algunos de esos desafíos: en factores humanos, simulación, visualización e integración de modelos

Toward a flexible facial analysis framework in OpenISS for visual effects

Facial analysis, including tasks such as face detection, facial landmark detection, and facial expression recognition, is a significant research domain in computer vision for visual effects. It can be used in various domains such as facial feature mapping for movie animation, biometrics/face recognition for security systems, and driver fatigue monitoring for transportation safety assistance. Most applications involve basic face and landmark detection as preliminary analysis approaches before proceeding into further specialized processing applications. As technology develops, there are plenty of implementations and resources for each task available for researchers, but the key missing properties among them all are fexibility and usability. The integration of functionality components involves complex configurations for each connection joint which is typically problematic with poor reusability and adjustability. The lack of support for integrating different functionality components greatly impact the research effort and cost for individual researchers, which also leads us to the idea of providing a framework solution that can help regarding the issue once and for all. To address this problem, we propose a user-friendly and highly expandable facial analysis framework solution. It contains a core that supports fundamental services for the framework, and a facial analysis module composed of implementations for facial analysis tasks. We evaluate our framework solution and achieve our goals of instantiating the facial analysis specialized framework, which essentially perform tasks in face detection, facial landmark detection, and facial expression recognition. This framework solution as a whole, solves the industry problem of lacking an execution platform for integrated facial analysis implementations and fills the gap in visual effects industry

Configuration of skilled tasks for execution in multipurpose and collaborative service robots

Several highly versatile mobile robots have been introduced during the last ten years. Some of these robots are working among people in exhibitions and other public places, such as museums and shopping centers. Unlike industrial robots, which are typically found only in manufacturing environments, service robots can be found in a variety of places, ranging from homes to offices, and from hospitals to restaurants. Developing mobile robots working co-operatively with humans raises not only interaction problems but problems in getting tasks accomplished. In an unstructured and dynamic environment this is not readily achievable because of the high degree of complexity of perception and motion of the robots. Such tasks require high-level perception and locomotion systems, not to mention control systems for all levels of task control. The lowest levels are controlling the motors and sensors of the robots and the highest are sophisticated task planners for complex and useful tasks. Human-friendly communication can be seen as an important factor in getting robots into our homes. In this work a new task configuration concept is proposed for multipurpose service robots. The concept gives guidelines for a software architecture and task managing system. Task configuration process presents a new method which makes it easier to configure a new task for a robot. The idea is the same as when a person tells another how a task should be performed. Novel method for executing tasks with service robots is also presented. Interpretive execution, keeping the focus on only one micro task at a time, makes it possible to modify plans during their execution. Multimodal interaction is important feature to provide collaboration between humans and robots. Multimodal interaction reduces the workload of the user by administering task configuration and execution. A novel solution for using multimodal human-robot interaction (HRI) as a part of the task description is presented. This thesis is a case study reporting the results when developing a task managing (from configuring to execution) platform for multipurpose service robots and studying its performance and use with several test cases. The platform that was developed has been implemented with the WorkPartner multipurpose service robot. The structure and operation of the platform have proved to be useful and several tasks have been carried out successfully

Animation and Interaction of Responsive, Expressive, and Tangible 3D Virtual Characters

This thesis is framed within the field of 3D Character Animation. Virtual characters are used in many Human Computer Interaction applications such as video games and serious games. Within these virtual worlds they move and act in similar ways to humans controlled by users through some form of interface or by artificial intelligence. This work addresses the challenges of developing smoother movements and more natural behaviors driving motions in real-time, intuitively, and accurately. The interaction between virtual characters and intelligent objects will also be explored. With these subjects researched the work will contribute to creating more responsive, expressive, and tangible virtual characters. The navigation within virtual worlds uses locomotion such as walking, running, etc. To achieve maximum realism, actors' movements are captured and used to animate virtual characters. This is the philosophy of motion graphs: a structure that embeds movements where the continuous motion stream is generated from concatenating motion pieces. However, locomotion synthesis, using motion graphs, involves a tradeoff between the number of possible transitions between different kinds of locomotion, and the quality of these, meaning smooth transition between poses. To overcome this drawback, we propose the method of progressive transitions using Body Part Motion Graphs (BPMGs). This method deals with partial movements, and generates specific, synchronized transitions for each body part (group of joints) within a window of time. Therefore, the connectivity within the system is not linked to the similarity between global poses allowing us to find more and better quality transition points while increasing the speed of response and execution of these transitions in contrast to standard motion graphs method. Secondly, beyond getting faster transitions and smoother movements, virtual characters also interact with each other and with users by speaking. This interaction requires the creation of appropriate gestures according to the voice that they reproduced. Gestures are the nonverbal language that accompanies voiced language. The credibility of virtual characters when speaking is linked to the naturalness of their movements in sync with the voice in speech and intonation. Consequently, we analyzed the relationship between gestures, speech, and the performed gestures according to that speech. We defined intensity indicators for both gestures (GSI, Gesture Strength Indicator) and speech (PSI, Pitch Strength Indicator). We studied the relationship in time and intensity of these cues in order to establish synchronicity and intensity rules. Later we adapted the mentioned rules to select the appropriate gestures to the speech input (tagged text from speech signal) in the Gesture Motion Graph (GMG). The evaluation of resulting animations shows the importance of relating the intensity of speech and gestures to generate believable animations beyond time synchronization. Subsequently, we present a system that leads automatic generation of gestures and facial animation from a speech signal: BodySpeech. This system also includes animation improvements such as: increased use of data input, more flexible time synchronization, and new features like editing style of output animations. In addition, facial animation also takes into account speech intonation. Finally, we have moved virtual characters from virtual environments to the physical world in order to explore their interaction possibilities with real objects. To this end, we present AvatARs, virtual characters that have tangible representation and are integrated into reality through augmented reality apps on mobile devices. Users choose a physical object to manipulate in order to control the animation. They can select and configure the animation, which serves as a support for the virtual character represented. Then, we explored the interaction of AvatARs with intelligent physical objects like the Pleo social robot. Pleo is used to assist hospitalized children in therapy or simply for playing. Despite its benefits, there is a lack of emotional relationship and interaction between the children and Pleo which makes children lose interest eventually. This is why we have created a mixed reality scenario where Vleo (AvatAR as Pleo, virtual element) and Pleo (real element) interact naturally. This scenario has been tested and the results conclude that AvatARs enhances children's motivation to play with Pleo, opening a new horizon in the interaction between virtual characters and robots.Aquesta tesi s'emmarca dins del món de l'animació de personatges virtuals tridimensionals. Els personatges virtuals s'utilitzen en moltes aplicacions d'interacció home màquina, com els videojocs o els serious games, on es mouen i actuen de forma similar als humans dins de mons virtuals, i on són controlats pels usuaris per mitjà d'alguna interfície, o d'altra manera per sistemes intel·ligents. Reptes com aconseguir moviments fluids i comportament natural, controlar en temps real el moviment de manera intuitiva i precisa, i inclús explorar la interacció dels personatges virtuals amb elements físics intel·ligents; són els que es treballen a continuació amb l'objectiu de contribuir en la generació de personatges virtuals responsius, expressius i tangibles. La navegació dins dels mons virtuals fa ús de locomocions com caminar, córrer, etc. Per tal d'aconseguir el màxim de realisme, es capturen i reutilitzen moviments d'actors per animar els personatges virtuals. Així funcionen els motion graphs, una estructura que encapsula moviments i per mitjà de cerques dins d'aquesta, els concatena creant un flux continu. La síntesi de locomocions usant els motion graphs comporta un compromís entre el número de transicions entre les diferents locomocions, i la qualitat d'aquestes (similitud entre les postures a connectar). Per superar aquest inconvenient, proposem el mètode transicions progressives usant Body Part Motion Graphs (BPMGs). Aquest mètode tracta els moviments de manera parcial, i genera transicions específiques i sincronitzades per cada part del cos (grup d'articulacions) dins d'una finestra temporal. Per tant, la conectivitat del sistema no està lligada a la similitud de postures globals, permetent trobar més punts de transició i de més qualitat, i sobretot incrementant la rapidesa en resposta i execució de les transicions respecte als motion graphs estàndards. En segon lloc, més enllà d'aconseguir transicions ràpides i moviments fluids, els personatges virtuals també interaccionen entre ells i amb els usuaris parlant, creant la necessitat de generar moviments apropiats a la veu que reprodueixen. Els gestos formen part del llenguatge no verbal que acostuma a acompanyar a la veu. La credibilitat dels personatges virtuals parlants està lligada a la naturalitat dels seus moviments i a la concordança que aquests tenen amb la veu, sobretot amb l'entonació d'aquesta. Així doncs, hem realitzat l'anàlisi de la relació entre els gestos i la veu, i la conseqüent generació de gestos d'acord a la veu. S'han definit indicadors d'intensitat tant per gestos (GSI, Gesture Strength Indicator) com per la veu (PSI, Pitch Strength Indicator), i s'ha estudiat la relació entre la temporalitat i la intensitat de les dues senyals per establir unes normes de sincronia temporal i d'intensitat. Més endavant es presenta el Gesture Motion Graph (GMG), que selecciona gestos adients a la veu d'entrada (text anotat a partir de la senyal de veu) i les regles esmentades. L'avaluació de les animaciones resultants demostra la importància de relacionar la intensitat per generar animacions cre\"{ibles, més enllà de la sincronització temporal. Posteriorment, presentem un sistema de generació automàtica de gestos i animació facial a partir d'una senyal de veu: BodySpeech. Aquest sistema també inclou millores en l'animació, major reaprofitament de les dades d'entrada i sincronització més flexible, i noves funcionalitats com l'edició de l'estil les animacions de sortida. A més, l'animació facial també té en compte l'entonació de la veu. Finalment, s'han traslladat els personatges virtuals dels entorns virtuals al món físic per tal d'explorar les possibilitats d'interacció amb objectes reals. Per aquest fi, presentem els AvatARs, personatges virtuals que tenen representació tangible i que es visualitzen integrats en la realitat a través d'un dispositiu mòbil gràcies a la realitat augmentada. El control de l'animació es duu a terme per mitjà d'un objecte físic que l'usuari manipula, seleccionant i parametritzant les animacions, i que al mateix temps serveix com a suport per a la representació del personatge virtual. Posteriorment, s'ha explorat la interacció dels AvatARs amb objectes físics intel·ligents com el robot social Pleo. El Pleo s'utilitza per a assistir a nens hospitalitzats en teràpia o simplement per jugar. Tot i els seus beneficis, hi ha una manca de relació emocional i interacció entre els nens i el Pleo que amb el temps fa que els nens perdin l'interès en ell. Així doncs, hem creat un escenari d'interacció mixt on el Vleo (un AvatAR en forma de Pleo; element virtual) i el Pleo (element real) interactuen de manera natural. Aquest escenari s'ha testejat i els resultats conclouen que els AvatARs milloren la motivació per jugar amb el Pleo, obrint un nou horitzó en la interacció dels personatges virtuals amb robots.Esta tesis se enmarca dentro del mundo de la animación de personajes virtuales tridimensionales. Los personajes virtuales se utilizan en muchas aplicaciones de interacción hombre máquina, como los videojuegos y los serious games, donde dentro de mundo virtuales se mueven y actúan de manera similar a los humanos, y son controlados por usuarios por mediante de alguna interfaz, o de otro modo, por sistemas inteligentes. Retos como conseguir movimientos fluidos y comportamiento natural, controlar en tiempo real el movimiento de manera intuitiva y precisa, y incluso explorar la interacción de los personajes virtuales con elementos físicos inteligentes; son los que se trabajan a continuación con el objetivo de contribuir en la generación de personajes virtuales responsivos, expresivos y tangibles. La navegación dentro de los mundos virtuales hace uso de locomociones como andar, correr, etc. Para conseguir el máximo realismo, se capturan y reutilizan movimientos de actores para animar los personajes virtuales. Así funcionan los motion graphs, una estructura que encapsula movimientos y que por mediante búsquedas en ella, los concatena creando un flujo contínuo. La síntesi de locomociones usando los motion graphs comporta un compromiso entre el número de transiciones entre las distintas locomociones, y la calidad de estas (similitud entre las posturas a conectar). Para superar este inconveniente, proponemos el método transiciones progresivas usando Body Part Motion Graphs (BPMGs). Este método trata los movimientos de manera parcial, y genera transiciones específicas y sincronizadas para cada parte del cuerpo (grupo de articulaciones) dentro de una ventana temporal. Por lo tanto, la conectividad del sistema no está vinculada a la similitud de posturas globales, permitiendo encontrar más puntos de transición y de más calidad, incrementando la rapidez en respuesta y ejecución de las transiciones respeto a los motion graphs estándards. En segundo lugar, más allá de conseguir transiciones rápidas y movimientos fluídos, los personajes virtuales también interaccionan entre ellos y con los usuarios hablando, creando la necesidad de generar movimientos apropiados a la voz que reproducen. Los gestos forman parte del lenguaje no verbal que acostumbra a acompañar a la voz. La credibilidad de los personajes virtuales parlantes está vinculada a la naturalidad de sus movimientos y a la concordancia que estos tienen con la voz, sobretodo con la entonación de esta. Así pues, hemos realizado el análisis de la relación entre los gestos y la voz, y la consecuente generación de gestos de acuerdo a la voz. Se han definido indicadores de intensidad tanto para gestos (GSI, Gesture Strength Indicator) como para la voz (PSI, Pitch Strength Indicator), y se ha estudiado la relación temporal y de intensidad para establecer unas reglas de sincronía temporal y de intensidad. Más adelante se presenta el Gesture Motion Graph (GMG), que selecciona gestos adientes a la voz de entrada (texto etiquetado a partir de la señal de voz) y las normas mencionadas. La evaluación de las animaciones resultantes demuestra la importancia de relacionar la intensidad para generar animaciones creíbles, más allá de la sincronización temporal. Posteriormente, presentamos un sistema de generación automática de gestos y animación facial a partir de una señal de voz: BodySpeech. Este sistema también incluye mejoras en la animación, como un mayor aprovechamiento de los datos de entrada y una sincronización más flexible, y nuevas funcionalidades como la edición del estilo de las animaciones de salida. Además, la animación facial también tiene en cuenta la entonación de la voz. Finalmente, se han trasladado los personajes virtuales de los entornos virtuales al mundo físico para explorar las posibilidades de interacción con objetos reales. Para este fin, presentamos los AvatARs, personajes virtuales que tienen representación tangible y que se visualizan integrados en la realidad a través de un dispositivo móvil gracias a la realidad aumentada. El control de la animación se lleva a cabo mediante un objeto físico que el usuario manipula, seleccionando y configurando las animaciones, y que a su vez sirve como soporte para la representación del personaje. Posteriormente, se ha explorado la interacción de los AvatARs con objetos físicos inteligentes como el robot Pleo. Pleo se utiliza para asistir a niños en terapia o simplemente para jugar. Todo y sus beneficios, hay una falta de relación emocional y interacción entre los niños y Pleo que con el tiempo hace que los niños pierdan el interés. Así pues, hemos creado un escenario de interacción mixto donde Vleo (AvatAR en forma de Pleo; virtual) y Pleo (real) interactúan de manera natural. Este escenario se ha testeado y los resultados concluyen que los AvatARs mejoran la motivación para jugar con Pleo, abriendo un nuevo horizonte en la interacción de los personajes virtuales con robots

Affective Computing

This book provides an overview of state of the art research in Affective Computing. It presents new ideas, original results and practical experiences in this increasingly important research field. The book consists of 23 chapters categorized into four sections. Since one of the most important means of human communication is facial expression, the first section of this book (Chapters 1 to 7) presents a research on synthesis and recognition of facial expressions. Given that we not only use the face but also body movements to express ourselves, in the second section (Chapters 8 to 11) we present a research on perception and generation of emotional expressions by using full-body motions. The third section of the book (Chapters 12 to 16) presents computational models on emotion, as well as findings from neuroscience research. In the last section of the book (Chapters 17 to 22) we present applications related to affective computing