何正軒

摘 要：隨著識(shí)別技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，人臉識(shí)別技術(shù)也日漸成熟。通過人臉的面部表情特征而識(shí)別當(dāng)前人的情感狀態(tài)也已經(jīng)被心理學(xué)研究證明。基于此，本文提出了基于面部識(shí)別的情感調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它利用目前的人臉識(shí)別技術(shù)將人面部某些特定部位的變化加以分析和歸類，并進(jìn)行情感的識(shí)別，進(jìn)一步通過情感匹配技術(shù)從人的視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺等感官方面進(jìn)行有利引導(dǎo)，從而對(duì)人的心理狀態(tài)起到調(diào)節(jié)、優(yōu)化的作用。

關(guān)鍵詞：心理學(xué)；人臉識(shí)別；情感匹配；感官調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和智能手機(jī)的出現(xiàn)，越來越多的人習(xí)慣了一個(gè)人的娛樂方式，從而忽視了人與人之間的情感交互，進(jìn)而導(dǎo)致頻發(fā)的情感事故，據(jù)全球時(shí)報(bào)調(diào)查顯示，僅2012年1年，美國(guó)紐約就因情感糾紛以及自閉癥導(dǎo)致的死亡事件多達(dá)4萬多人。由此可見，人的心理承受能力目前已變得非常脆弱，因此設(shè)計(jì)一款識(shí)別并進(jìn)行心理緩釋的系統(tǒng)很有意義。

同時(shí)近年來人臉模式識(shí)別方法有了較大的突破，提出了多種機(jī)器全自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，因此面部識(shí)別技術(shù)已能夠在實(shí)際生活中廣泛運(yùn)用，并且僅僅從面部表情中就能讀取出人們所想表達(dá)的喜、怒、哀、樂等情緒和內(nèi)在的心理活動(dòng)。以上技術(shù)為本設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的理論依據(jù)與技術(shù)支撐，具有很高的可行性。

1.相關(guān)技術(shù)

1.1 人臉檢測(cè)技術(shù)

1.1.1 當(dāng)前發(fā)展情況。人臉識(shí)別是源于20世紀(jì)90年代。經(jīng)過近代高速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有一些機(jī)構(gòu)、高校在進(jìn)行人臉識(shí)別新領(lǐng)域、新技術(shù)的研究。比如遠(yuǎn)距離人臉識(shí)別技術(shù)，3D人臉識(shí)別技術(shù)等。3D人臉識(shí)別技術(shù)，即從三維角度識(shí)別人臉的特征方法，將人臉用立體圖像來表示，可以在計(jì)算機(jī)上生成3D的人臉動(dòng)畫來表達(dá)人的運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)和表情。這種動(dòng)畫的人臉可以在不同的環(huán)境下，從而應(yīng)用和發(fā)展為虛擬現(xiàn)實(shí)。三維人臉識(shí)別可以應(yīng)對(duì)各種光線干擾，甚至在夜晚能見度較差的環(huán)境下也可以識(shí)別人臉信息。3D人臉識(shí)別可以在目標(biāo)移動(dòng)過程中進(jìn)行識(shí)別，此外立體化識(shí)別不局限于人臉正面，適用于各個(gè)角度，面部頭發(fā)遮擋、姿態(tài)變化也可做到高準(zhǔn)確率識(shí)別。由此本設(shè)計(jì)配備3D人臉識(shí)別技術(shù)，以達(dá)到精確識(shí)別的目的。

1.1.2 人臉識(shí)別流程。系統(tǒng)的核心為人臉識(shí)別子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)由圖像采集裝置、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)與控制模塊4部分組成，首先由采集裝置檢測(cè)并采集面部數(shù)據(jù)，其次交由圖像處理模塊進(jìn)行圖像的處理并匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的情感特征，最后根據(jù)其特征匹配結(jié)果交由控制模塊操控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其模塊內(nèi)部工作原理如圖1所示。其中預(yù)處理是將檢測(cè)到的人臉圖像的大小歸一化和人臉圖像的矯正和灰度均衡化等，目的是去除圖像中的噪聲，加強(qiáng)有用的信息，增強(qiáng)特征信息。而人臉的表征就是選擇提取人臉的特征，從而進(jìn)行情感匹配，應(yīng)用了膚色特征提取和灰度特征提取兩種方法將實(shí)現(xiàn)空間的圖像映射到機(jī)器空間。

1.2 情感識(shí)別

1.2.1 概述。人的面部表情一定程度展現(xiàn)了其心理的相關(guān)情感狀態(tài)，我們可以通過人的表情來推斷其所處的情緒狀態(tài)。例如人們高興時(shí)的面部動(dòng)作包括：嘴角翹起，面頰上抬起皺，眼瞼收縮，眼睛尾部會(huì)形成“魚尾紋”；傷心時(shí)面部特征包括瞇眼，眉毛收緊，嘴角下拉，下巴抬起或收緊；害怕時(shí)，嘴巴和眼睛張開，眉毛上揚(yáng)，鼻孔張大。根據(jù)這些不同的特點(diǎn)，通過一定的算法進(jìn)行表情與情感的匹配。

1.2.2 幾何特征法。情感匹配有多種方法，本設(shè)計(jì)通過考察分析采用幾何特征法。幾何特征法是根據(jù)人的面部的各個(gè)部分的形狀和位置（包括嘴、眼睛、眉毛、鼻子）來提取特征矢量，這個(gè)特征矢量來代表人臉的幾何特征。根據(jù)這個(gè)特征矢量的不同就可以識(shí)別不同的表情。重要的方法是：基于運(yùn)動(dòng)單元（AU）的主分量分析法。在容貌特征法中，主要是將整體人臉或者是局部人臉通過圖像的濾波，以得到特征矢量。得到該面部的特征矢量后，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的矢量進(jìn)行匹配識(shí)別，從而得到該面部識(shí)別的對(duì)應(yīng)信息。

2.調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 聽覺調(diào)節(jié)模塊

聽覺是影響人心情變化的一個(gè)重要感官，人的喜怒哀樂等多種情緒均可以透過樂聲表達(dá)出來，同時(shí)樂聲也能進(jìn)行情感影響，這在音樂心理學(xué)上具有很長(zhǎng)的研究歷史。音樂的基本要素、表現(xiàn)手段主要有：音高、音長(zhǎng)、和聲、節(jié)奏、曲式、音色、速度、力度等等。不同的特點(diǎn)能夠?qū)θ说男那槠鸱斐刹煌绊憽＠缈旃?jié)奏的音樂給人以歡騰、熱烈、激動(dòng)或急促緊張的感覺；而慢節(jié)奏的音樂一般表現(xiàn)舒緩、沉悶或是深層的意境；共振適中（不多不少）的和聲在音樂中會(huì)使人有張力和色彩感；共振少的則有沖突感、不安全感。利用這些音樂特征的情感特點(diǎn)，我們將不同的音樂進(jìn)行相應(yīng)地分類，保存在我們的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，代表了不同情感狀態(tài)下應(yīng)給于的樂聲選擇。該模塊運(yùn)行情況下，當(dāng)控制系統(tǒng)下達(dá)指令后，通過一個(gè)控制器來令音樂播放器選擇所要播放的音樂種類，甚至控制所放音樂的頻率，波形等以達(dá)到收聽者最適合的類型，從而調(diào)節(jié)收聽者的心情。

2.2 視覺調(diào)節(jié)模塊

視覺也是影響人們心情的一大重要因素，色彩心理學(xué)提到：色彩是對(duì)人們的一種刺激，所以透過視覺開始，影響知覺、感情而到記憶、思想、意志、象征等，其反應(yīng)與變化是極為復(fù)雜的。不同顏色對(duì)人的影響不同，如紅色是個(gè)能量充沛的色彩，使人激情澎湃；藍(lán)色使人心得以平靜，可以讓人們身心放松。而康定斯基在《論藝術(shù)的精神》中也提到：色彩直接影響著精神。我們的目的就是巧妙使用顏色來進(jìn)行心理輔助治療，即色療。所以添加視覺調(diào)節(jié)模塊來對(duì)人的情感進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。主要方式為墻壁色彩與燈光顏色的控制變化。與聽覺模塊類似，接收到控制系統(tǒng)指令后，依據(jù)當(dāng)前情感匹配結(jié)果，通過色彩控制裝置調(diào)節(jié)墻壁與燈光的顏色，故要求墻壁內(nèi)用特殊感光材料，而燈具則應(yīng)使用可變化的多彩燈泡。

2.3 空氣條件調(diào)節(jié)模塊

除聽覺視覺影響心情之外，觸覺與嗅覺的感官也在一定程度上造成影響。例如溫度：一般來說，當(dāng)環(huán)境溫度超過34℃時(shí)，人不僅大汗淋漓，容易食欲不振，而且心情煩躁，易產(chǎn)生過激行為，心境低落。濕度：濕度過大時(shí)，也會(huì)使人無精打采，并且心情低落，郁悶，伴隨睡意；而當(dāng)濕度過小時(shí)，會(huì)使人躁動(dòng)不安，產(chǎn)生過激行為。當(dāng)人心情緊張焦慮時(shí)，適度的清淡的芳香也能夠令人大腦放松，心情變好。由此設(shè)置空氣條件調(diào)節(jié)模塊，主要通過與空調(diào)、加濕器等器件的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)來指令，我們可以根據(jù)當(dāng)前情感匹配情況進(jìn)行溫度、濕度的調(diào)節(jié)，同時(shí)在加濕器的內(nèi)部設(shè)置芳香精油，如有需求可以自動(dòng)滴加到加濕器的水中，從而產(chǎn)生一定的芳香作用，從而輔助調(diào)節(jié)人的情感。

3.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含人臉識(shí)別系統(tǒng)、情感匹配數(shù)據(jù)庫(kù)、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的工作流程可以描述為：外界的人臉表情3D信息通過人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行采集，隨后進(jìn)入情感匹配數(shù)據(jù)庫(kù)以得到當(dāng)前人的情感狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有肢體行為檢測(cè)系統(tǒng)與紅外線體溫檢測(cè)系統(tǒng)來輔助情感的匹配準(zhǔn)確度；匹配完畢后將當(dāng)前結(jié)果送至控制系統(tǒng)，可由控制系統(tǒng)對(duì)聽覺、視覺、空氣條件三大模塊發(fā)布指令從而進(jìn)行環(huán)境因素的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到用戶心情調(diào)節(jié)的目的。同時(shí)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前輸出的條件與實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶情感匹配的進(jìn)一步結(jié)果而調(diào)整控制系統(tǒng)的指令，進(jìn)行不斷的迭代優(yōu)化；而用戶操作系統(tǒng)可以人為的選擇啟用哪些模塊調(diào)節(jié)，從而更加人性化調(diào)節(jié)。

4.創(chuàng)新性與發(fā)展前景

本文利用當(dāng)前諸多前沿技術(shù)，并結(jié)合相關(guān)心理學(xué)理論進(jìn)行了基于面部識(shí)別的情感調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，符合當(dāng)前市場(chǎng)需求，并進(jìn)行了詳細(xì)地說明與分析，證明該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性與可行性，可以用于家庭自身進(jìn)行情感調(diào)節(jié)，也可以用于企業(yè)進(jìn)行員工工作狀態(tài)的評(píng)測(cè)等，前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]梁路宏，艾海舟，徐光，等.人臉檢測(cè)研究綜述[N].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2002-5.