基于面部識(shí)別的情感輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)

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?；诖耍疚奶岢隽嘶诿娌孔R(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)庫與控制模塊4部分組成，首先由采集裝置檢測并采集面部數(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)庫中的矢量進(jìn)行匹配識(shí)別，從而得到該面部識(shí)別的對應(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)上具有很長的研究歷史。音樂的基本要素、表現(xiàn)手段主要有：音高、音長、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?。例如快?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、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)有肢體行為檢測系統(tǒng)與紅外線體溫檢測系統(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)的評測等，前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

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