情感建模方法研究

吳偉國(guó)，孟慶梅，曲建俊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001，wuwg@hit.edu.cn)

近年來，情感在人工智能中的重要性已被越來越多的研究學(xué)者所重視.早在1985年，Marvin Minsky教授在《精神社會(huì)》中指出“問題并不是智能機(jī)器是否能有情感，而是沒有情感的機(jī)器怎么能是智能的”.在人機(jī)交互中，被設(shè)計(jì)成具有情感的機(jī)器與人建立友好的交互界面，使其具有參與社會(huì)事務(wù)和開展人際交往的能力，更易被人類所接受;同時(shí)機(jī)器具有“生命”，使其主體的思維(或行為)具有明確的目的性和方向性，從而顯著地提高思維(或行為)的效率和速度［1］;在動(dòng)態(tài)、不可預(yù)知和具有潛在“危險(xiǎn)”的環(huán)境中，賦予機(jī)器思維上的創(chuàng)造性和行為上的自覺性，提高機(jī)器適應(yīng)環(huán)境的能力［2］.

人工情感是利用信息科學(xué)的手段對(duì)人類情感過程進(jìn)行模擬、識(shí)別和理解，使機(jī)器能夠產(chǎn)生類人情感并與人類自然和諧地進(jìn)行人機(jī)交互的研究領(lǐng)域［3－4］.情感模型的建立是人工情感研究的一個(gè)主要方面，現(xiàn)有的情感模型主要是從人機(jī)交互的角度和情感認(rèn)知的角度建立，盡管兩種方法并不是互斥的，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)情感模型都傾向于其中的某一個(gè)具體方法.盡管目前對(duì)機(jī)器情感模型的研究仍處于起步階段，但該方向?qū)η楦醒芯康呢暙I(xiàn)主要在以下兩方面:驗(yàn)證情感理論的有效工具，此時(shí)機(jī)器的情感模型可作為“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，不僅能驗(yàn)證已有理論，而且能解決一些在人類情感研究中難以解決的問題，如:產(chǎn)生情感相關(guān)因素的孤立性、任務(wù)的反復(fù)特性等;另外從工程的角度考慮研究情感模型可以改善系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的自主性和適應(yīng)性，以強(qiáng)化學(xué)習(xí)去適應(yīng)環(huán)境.

1 目前的情感模型

1.1 OCC情緒模型

目前，對(duì)情感建模的研究有許多代表性的成果，如當(dāng)前使用最普遍的OCC情感模型［5］.OCC模型采用一致性的認(rèn)知導(dǎo)出條件來表述情感，是第一個(gè)用于人工智能領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)化模型.在該模型中，假定情感是對(duì)事件(高興與否)、Agent(滿意與否)和對(duì)象(喜歡與否)構(gòu)成情感趨勢(shì)的傾向.通過不同認(rèn)知條件歸納推導(dǎo)，規(guī)范出22種情感類型.并且制定出產(chǎn)生這些情感類型的基本構(gòu)造規(guī)則及其各情感的階層關(guān)系，詳細(xì)的分類與階層關(guān)系如圖1所示.

圖1 OCC情感類型結(jié)構(gòu)

1.2 Agent的情感模型

1994年，J.Bates在 OCC模型基礎(chǔ)上提出“Believable Agent”［6］.該模型雖然僅能夠描述基本的情感及其反應(yīng)，卻開始在人工智能中研究利用Agent如何形象化地表達(dá)內(nèi)部情感狀態(tài)，并且進(jìn)行情感交互的研究.一個(gè)智能的Agent必須包含大量的環(huán)境信息，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、過濾和選擇，利用信息完整表述環(huán)境的能力，降低成本和提高獲取信息的速度.這種情感模型往往將情感作為人類認(rèn)知機(jī)制的一個(gè)成分，側(cè)重于認(rèn)知評(píng)價(jià)、動(dòng)機(jī)等結(jié)合的過程.典型的Agent情感模型為Sloman［7］提出的H－CogAff情感模型.該模型力圖覆蓋正常人處理情感信息的全過程，包括3層情感體系結(jié)構(gòu):反應(yīng)層、評(píng)估層和管理層.Sloman的這種結(jié)構(gòu)實(shí)際上包含情感在內(nèi)的信息處理過程中的精神現(xiàn)象，由于該模型企圖體現(xiàn)自然情感處理過程，故該模型復(fù)雜并難以實(shí)現(xiàn).K.A Maria提出3層基于情感的智能Agent的體系結(jié)構(gòu)［8］.該模型由RIA(Regular Intelligent Agent)和EIA(Emotion Intelligent Agent)組成.接收器接收外部環(huán)境的特征信號(hào)，通過反應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)接收與執(zhí)行之間的映射.執(zhí)行器通過與環(huán)境的反饋執(zhí)行最終的動(dòng)作.評(píng)估機(jī)制包括兩部分進(jìn)程:認(rèn)知進(jìn)程和情感進(jìn)程.情感和認(rèn)知相互作用.認(rèn)知進(jìn)程執(zhí)行事件的感知、評(píng)估、推理和任務(wù)的決策;情感進(jìn)程根據(jù)認(rèn)知的評(píng)估產(chǎn)生相應(yīng)的情感信號(hào).

1.3 Cathexis模型

Cathexis模型提出“情緒”概念［9］.個(gè)體通過傳感器來檢測(cè)外界刺激，進(jìn)一步判斷是否有合適的條件激起個(gè)體的情感再現(xiàn).在Cathexis模型中傳感器被分為4種類型:神經(jīng)、感覺運(yùn)動(dòng)、動(dòng)機(jī)和認(rèn)知.神經(jīng)傳感器檢測(cè)來自神經(jīng)的傳遞介質(zhì)如腦壓.感覺運(yùn)動(dòng)傳感器檢測(cè)來自感覺運(yùn)動(dòng)過程的信號(hào)如面部表情、身體姿態(tài)等;動(dòng)機(jī)傳感器檢測(cè)各種動(dòng)機(jī)的輸入;認(rèn)知傳感器檢測(cè)各種認(rèn)知的輸入如對(duì)事件的評(píng)價(jià)和解釋、信念、記憶等.Cathexis模型有6種基本情感:生氣、害怕、悲傷、高興、厭惡和吃驚，模型的特點(diǎn)在于不僅僅包括認(rèn)知研究還包括非認(rèn)知的研究.但是由于計(jì)算情感探測(cè)的數(shù)值很難計(jì)算，故Cathexis模型靈活性較差.

1.4 基于模糊邏輯的情感模型

模糊邏輯是最早應(yīng)用在情感建模中的數(shù)學(xué)方法之一，T.Yanaru通過確定9條模糊規(guī)則和5個(gè)模糊集合來定義情感，并且確定了情感信號(hào)和情感強(qiáng)度的表達(dá)方法［10］.L.I.Perlovsky使用模糊自適應(yīng)邏輯來定義情感.在文獻(xiàn)［11］中，研究通過模糊邏輯來產(chǎn)生虛擬情感，該情感模型包括情感、學(xué)習(xí)和決策3個(gè)模塊.同時(shí)在文獻(xiàn)［12］中機(jī)器人的控制都是基于情感模型的，他使用加強(qiáng)學(xué)習(xí)算法.主要采用模糊認(rèn)知映射，把情感、情感狀態(tài)、物理狀態(tài)及其行為結(jié)合起來.R.L.Mandryk等人提出一種模糊邏輯模型對(duì)人類情感進(jìn)行定量的描述［13］.在OCC模型的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的可計(jì)算情感模型.這一模型引入模糊邏輯用以表征情感強(qiáng)度，并建立了事件、期望與情感狀態(tài)、情感行為間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.盡管這些關(guān)系也可用其他形式化方法表示，但模糊邏輯更能體現(xiàn)情感狀態(tài)推理的不確定性和復(fù)雜性的本質(zhì)特征.

1.5 其他的情感模型

文獻(xiàn)［14］以二維情感空間和OCC模型為基礎(chǔ)，結(jié)合粒子系統(tǒng)和有源場(chǎng)，建立人工情感模型.粒子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表示模型當(dāng)前的情感狀態(tài).模型將外界刺激轉(zhuǎn)化為空間中的有源場(chǎng).多個(gè)有源場(chǎng)產(chǎn)生的勢(shì)能，共同影響粒子的運(yùn)動(dòng).模型輸出一個(gè)隨時(shí)間變化的多維向量，向量維度上的數(shù)值表示對(duì)應(yīng)情緒的激活程度.該模型面對(duì)同樣的外界刺激，模型可能出現(xiàn)不同的情感狀態(tài)變化，體現(xiàn)了在整體確定性下的局部隨機(jī)性，但場(chǎng)源在空間中對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置缺乏充足的理論支持，存在一定的不足之處.

北京科技大學(xué)的滕少東定義了情感的兩種狀態(tài)及其兩個(gè)基本的變化轉(zhuǎn)移過程，并應(yīng)用馬爾可夫鏈構(gòu)造了一個(gè)情感概率空間，建立模擬情感變化的情感模型，給出了情感能量、情感強(qiáng)度和情感嫡等概念，用以描述情感特征與情感狀態(tài)［15］.

浙江大學(xué)的楊宏偉等人結(jié)合生理和認(rèn)知對(duì)情感的影響，提出了一種綜合的可計(jì)算情感建模方法［16］.該方法設(shè)計(jì)了一個(gè)完全的過程框架，用以描述情感在不同時(shí)刻如何動(dòng)態(tài)變化以及如何處理多種混合情感的情況，并建立了基于具體描述事件和情感關(guān)系的情感結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生具體、真實(shí)的情感行為;提出了學(xué)習(xí)交互機(jī)制以增強(qiáng)虛擬智能體對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力.本模型把需求、認(rèn)知和情感全面地融合在一起，建立了一個(gè)綜合的情感模型.同時(shí)，在模型中強(qiáng)調(diào)了情感的動(dòng)態(tài)變化特性，提出了基于情感更新的情感合成過程.

2 目前情感模型的應(yīng)用

目前情感模型主要應(yīng)用在機(jī)器人及虛擬機(jī)器人上.人工情感模型成功運(yùn)用在機(jī)器人上的主要有MIT的Kisment、日本早稻田大學(xué)的WE系列機(jī)器人、CMU的pearl機(jī)器人等.情感在實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互中占有重要地位，此時(shí)情感常用來調(diào)節(jié)機(jī)器人的行動(dòng)，加強(qiáng)人機(jī)交互的真實(shí)感［17－19］.

2.1 Kismet的情感模型

Kismet［20－21］的情感模型作為環(huán)境、內(nèi)部刺激和行為動(dòng)作的媒介，通過情感模型，機(jī)器人對(duì)外界輸入的刺激和內(nèi)部需要進(jìn)行綜合判斷從而引起表現(xiàn)行為的各種變化.Kismet的情感模型基于Cathexis情感模型，不同之處在于Kismet的情感模型強(qiáng)調(diào)與人類的社會(huì)交互，而Cathexis的情感模型側(cè)重于其他方面.Kismet的情感反應(yīng)機(jī)構(gòu)由情感刺激、情感評(píng)價(jià)、情感激活和情感表達(dá)等幾部分組成，能夠表達(dá)快樂、生氣、厭惡、恐懼、悲傷、驚奇、興趣、厭煩8種基本情緒.Kismet的情感空間如圖2所示.Kismet通過面部表情表達(dá)情感.三維情感空間為［A，V，S］，每個(gè)情感對(duì)應(yīng)情感空間的一個(gè)具體的點(diǎn).在圖2中可見9個(gè)基本的情感表達(dá)在情感空間的位置.Kismet的面部表情在3維情感空間通過插值的方法實(shí)現(xiàn).每一維的情感空間的范圍為［－1250，1250］.盡管Kismet的情感空間維數(shù)并沒有準(zhǔn)確的映射出情感空間，但是通過這種方法來再現(xiàn)情感和面部表情給情感建模提供新的思路.

2.2 ROMAN的情感模型

ROMAN機(jī)器人的情感模型采用基于行為的情感控制體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示［22］.

圖2 Kismet的情感空間

圖3 ROMAN的情感控制體系結(jié)構(gòu)［22］

該情感體系通過情感、驅(qū)動(dòng)、行為3部分相互交互來實(shí)現(xiàn)“類人”的行為.在該體系中“驅(qū)動(dòng)”決定“做什么”，“情感”決定“怎么做”.驅(qū)動(dòng)包括幾個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊有2個(gè)輸入，1個(gè)代表傳感器的數(shù)據(jù)，另1個(gè)表示由其他驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)它產(chǎn)生的抑制因素.3個(gè)輸出，1個(gè)代表其他驅(qū)動(dòng)的抑制因素，1個(gè)表示情感狀態(tài)，最后表示行為激勵(lì).圖4表示ROMAN的情感狀態(tài)定義，針對(duì)所選取的情感狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)類人的面部表情和姿態(tài).在情感6面體中，再現(xiàn)6個(gè)基本情感.每個(gè)情感狀態(tài)的計(jì)算采用Kismet的計(jì)算方法，通過1個(gè)三維的輸入矢量［A，S，V］來計(jì)算.

圖4 ROMAN的情感狀態(tài)定義

2.3 服務(wù)機(jī)器人

人工情感模型已成功地應(yīng)用在服務(wù)機(jī)器人上［23－25］.

韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的智能服務(wù)機(jī)器人具有個(gè)性的多維情感模型如圖5所示［26－27］.在該模型中機(jī)器人并不是直接對(duì)外界刺激作出反應(yīng)，而是根據(jù)現(xiàn)有的情感模型來計(jì)算情感中各元素的變化.情感模型中包括反應(yīng)動(dòng)態(tài)、內(nèi)部動(dòng)態(tài)、情感動(dòng)態(tài)、行為動(dòng)態(tài)及個(gè)性5元素.其中個(gè)性是最為重要的元素，決定不同的機(jī)器人的情感和行為.如果個(gè)性不同，盡管外界刺激和內(nèi)部動(dòng)態(tài)保持不變，情感模型也會(huì)產(chǎn)生不同的情感和行為.

圖5 具有個(gè)性的多維情感模型

東京都立大學(xué)的Naoyuki Kubota在陪伴機(jī)器人上使用以情感記憶和物理記憶為基礎(chǔ)的情感模型來實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)交互.機(jī)器人具有理解信息能力、回憶功能、情感激勵(lì)功能［28］.Arkin等人研究如何把情感與行為學(xué)結(jié)合在一起應(yīng)用在索尼娛樂機(jī)器人上［29］.Canamero，F(xiàn)redslund等人定義情感激活模型來通過仿真水平規(guī)劃情感［24］.Schulte等人研制了一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)來表述4種情緒［30］.

通過情感模型的應(yīng)用，使得服務(wù)機(jī)器人具有人性化，消除了人與機(jī)器人之間的陌生感，增強(qiáng)了機(jī)器人的“親和力”.

3 基于擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)的情感模型

本文提出基于擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)的情感模型，在明確情感模型的各個(gè)狀態(tài)以及一些完全可以用觸發(fā)事件來確定各狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系的基礎(chǔ)上，用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)情感之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換.

擴(kuò)展的有限狀態(tài)機(jī)是一個(gè)六元組［31］:

式中:Q為有限狀態(tài)集合，Q={q1，q2，…，qn};Σ表示系統(tǒng)接收的所有事件集合，Σ={σ1，σ2，…，σm};δ表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，δ:Q×Σ→Q;q0表示系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的初始狀態(tài)，q0∈Q;F表示終止?fàn)顟B(tài)的集合，F(xiàn)∈Q.V定義為狀態(tài)上的變量屬性集合，指系統(tǒng)處于各個(gè)狀態(tài)時(shí)，在以后實(shí)現(xiàn)時(shí)需要涉及的變量.

根據(jù)情緒心理學(xué)中“情感維量”理論［32］，情感可分為基本情感和復(fù)合情感.為簡(jiǎn)化模型，EFSM情感模型中情感狀態(tài)集合為{H，A，S，Su，D， F，N，C}:高興(H)、憤怒(A)、悲傷(S)、吃驚(Su)、厭惡(D)、害怕(F)、自然狀態(tài)(N)、復(fù)雜(C由于情感的復(fù)雜性，當(dāng)情感交互時(shí)不是單一的情感時(shí)統(tǒng)稱為C).Σ表示外界的刺激事件(定義為不同的情感狀態(tài))，F(xiàn)表示輸出的情感狀態(tài)(F和Σ是Q狀態(tài)空間的元素)，轉(zhuǎn)移函數(shù)δ:Q×Σ→Q及初始情感狀態(tài)q0(q0∈Q).根據(jù)當(dāng)前的情感狀態(tài)和輸入狀態(tài)的變換情況，函數(shù)δ:Q×Σ→Q用來計(jì)算狀態(tài)機(jī)的最終狀態(tài).如果狀態(tài)機(jī)在時(shí)間t時(shí)它的情感狀態(tài)為q(t)，外界輸入的狀態(tài)為∑(t)，那么下一個(gè)情感狀態(tài)為

假設(shè)情感狀態(tài)集中包含4種情感狀態(tài)，建立的情感交互模型如圖6所示.E1代表個(gè)體的初始情感狀態(tài)，條件代表輸入狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的情感狀態(tài)和輸入狀態(tài)，情感載體的情感狀態(tài)發(fā)生改變，并做出相應(yīng)的行為.行為中的聲音和表情表示狀態(tài)上的變量集合V.

圖6 情感交互模型

建立的仿真模型如圖7所示，建立仿真模型的目的是驗(yàn)證情感交互模型的有效性.情感狀態(tài)轉(zhuǎn)化模型利用Matlab中的Stateflow［33］模塊建立.它允許使用流程圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概念、采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷朊枋鑫锢砟Ｐ?，用圖形的方式繪制出遷移的條件，從而構(gòu)造出有限狀態(tài)機(jī)系統(tǒng).

圖7表示初始情感狀態(tài)為H，在不同外界刺激下的情感狀態(tài)轉(zhuǎn)換.圖中Eout2表示外界刺激情感，Eout表示初始情感狀態(tài)選取的條件.狀態(tài)變量屬性集合V中的元素是通過內(nèi)嵌Matlab函數(shù)(Expression H，Expression S，Expression C，Expression A)實(shí)現(xiàn).

圖7(a)為情感模型的初始狀態(tài)選取，在隨機(jī)過程中，狀態(tài)集合{H，A，S，C}中各個(gè)狀態(tài)的初始狀態(tài)分布的概率均等;圖7(b)為情感交互模型;圖7(c)為對(duì)應(yīng)情感狀態(tài)的情感反應(yīng).

圖8為人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)的部分照片，進(jìn)行的是機(jī)器人與人類面部表情的交互實(shí)驗(yàn).根據(jù)情感模型如果外界情感刺激為悲傷情感，機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生悲傷的情感反應(yīng).圖8(b)為機(jī)器人的情感交互時(shí)悲傷面部表情變化的部分動(dòng)態(tài)視頻截圖.

圖7 情感模型仿真

圖8 具有EFSM情感模型仿人頭像機(jī)器人人機(jī)情感交互初步實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論與研究展望

現(xiàn)在的情感模型雖然取得一定成果，但仍有待進(jìn)一步完善，未來的研究目標(biāo)和方向如下:

1)雖然在感知、推理、決策和交流等方面有所了解，但并不了解情感的內(nèi)在邏輯程序，同時(shí)對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)這些功能中的信息處理過程了解并不完善.沒有符合人類情感規(guī)律并適于機(jī)器實(shí)現(xiàn)的人工情緒自動(dòng)生成模型.

2)目前應(yīng)用于機(jī)器人上的情感模型，雖然能夠使機(jī)器人與人類進(jìn)行交流，但是不具有靈活性，如果新的驅(qū)動(dòng)增加時(shí)，機(jī)器人的情感系統(tǒng)就必須改變.

3)情感表現(xiàn)的多樣化也為情感建模的分析和數(shù)值化帶來困難.例如對(duì)于任何一種情感而言，有許多行為和表情均被認(rèn)為是適當(dāng)?shù)?因此何種情感表現(xiàn)強(qiáng)度更容易被用戶接受也需要進(jìn)一步的研究.

4)情感信息的獲取與建模，例如，細(xì)致和準(zhǔn)確的情感信息獲取、描述及參數(shù)化建模，海量的情感數(shù)據(jù)資源庫(kù)，多特征融合的情感計(jì)算理論模型.

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