基于維度情緒模型的智能化燈光交互鏡面裝置設(shè)計研究

趙孟霆 蓋龍濤 閆子飛

摘要：探究智能家居場景中用戶情緒與燈光效果的情感化交互設(shè)計方法。基于維度情緒模型，解析用戶情緒對燈光色彩、燈光動態(tài)變化的偏好；基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，建立多模態(tài)情緒識別與維度情緒表示方法；通過設(shè)計智能化燈光交互鏡面裝置，實現(xiàn)用戶情緒與燈光色彩、燈光動態(tài)變化的創(chuàng)新交互方式。構(gòu)建了情感化的燈光交互設(shè)計方案，實現(xiàn)了一種實時對用戶情緒做出反饋的智能化燈光交互鏡面裝置。提出了情緒識別與情感化燈光交互的設(shè)計方法，可以為情感化的智能家居產(chǎn)品設(shè)計提供實踐經(jīng)驗與思路，展開情感化交互設(shè)計探索的新視角。

關(guān)鍵詞：智能家居；維度情緒模型；光環(huán)境設(shè)計；交互設(shè)計；情感體驗

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-0069（2024）11-0130-04

Abstract：In order to investigate the interaction design method between user emotion and light environment in smart home emotionalization. Summarize the past research and explore the relationship between emotion and lighting color and lighting dynamics. Design a multimodal emotion recognition method，create an innovative interactive device and design the interaction between light color and light dynamic changes. Completed the emotional lighting interaction design program. A lighting interaction device design that gives feedback to user emotions in real time is realized. A method of emotion recognition and emotional lighting design is proposed，which can provide practical experience and ideas for the emotional product design of smart home.

Keywords：Smart home；Dimensional model of emotions；Luminous environment design；Interaction design；Emotional experience

引言

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了智能家居融入大眾生活的過程[1]?！?020中國智能家居生態(tài)發(fā)展白皮書》的主題是從全屋智能到空間智能化，行業(yè)聚焦逐漸從家居設(shè)備控制過渡到用戶價值的滿足。在空間智能化的訴求下，需要就用戶的智能化生活場景進(jìn)行設(shè)計。從大數(shù)據(jù)來看，智能家居的發(fā)展應(yīng)以用戶體驗為核心，更注重解決生活痛點與提升生活品質(zhì)[2]。具體到情境感知的角度，用戶體驗應(yīng)滿足用戶感官、行為、情感3個層次的需求[1]。雖然智能家居產(chǎn)業(yè)已比較成熟，產(chǎn)品門類和單品都具有較高的豐富性，但在情感層次仍缺乏對用戶的關(guān)懷，在“情感化”方面對新技術(shù)的應(yīng)用尚未展開廣泛探索。本文從此處入手，基于人工智能等新技術(shù)，探究用戶情緒因素與光環(huán)境調(diào)節(jié)模式的關(guān)系，提升用戶在智能家居場景中的情感化體驗，并通過將相關(guān)領(lǐng)域的理論成果應(yīng)用在交互裝置的算法設(shè)計上，驗證設(shè)計研究領(lǐng)域已有的實驗結(jié)論，為情感化的智能家居產(chǎn)品設(shè)計提供實踐經(jīng)驗。

一、情感化燈光交互裝置的設(shè)計現(xiàn)狀

（一）家居燈光環(huán)境情感化

隨著生活需求層次的提高，越來越多的人開始使用智能化的家居產(chǎn)品，注重居家生活的情感化體驗。就燈光元素來說，情感化的智能家居燈光環(huán)境應(yīng)在造型美觀、交互自然、照明個性化3個方面加以設(shè)計[3]。在燈光交互與個性化照明方面，以滿足人們情感需求為主要目的的氛圍性照明在家居環(huán)境中正受到重視。氛圍性照明利用燈光創(chuàng)造出一種增強(qiáng)沉浸與體驗的意境環(huán)境[3]，其中燈光的光色、色溫、光度等要素的合理搭配和利用對營造理想氛圍的光環(huán)境具有重要作用[4]。另外，燈光的動態(tài)變化也隱藏著一系列情感線索，如模擬自然照明的閃爍、樹影等對用戶情緒產(chǎn)生各種預(yù)期的影響[4]。可見，目前的研究已開始考慮智能家居場景中燈光與情緒的關(guān)系，但由于缺乏新技術(shù)的支持，仍缺少根據(jù)用戶的實時情緒變化而自動做出調(diào)整的燈光交互裝置設(shè)計。

（二）基于情緒識別的智能交互系統(tǒng)

一些特定應(yīng)用場景中，基于用戶情緒識別的實時交互系統(tǒng)已被提出，將用戶情緒這一變量引入交互系統(tǒng)設(shè)計的考量中，滿足用戶的情感體驗需求。這些系統(tǒng)通過改變環(huán)境因素給予相應(yīng)的情緒反饋，達(dá)到改善情緒、維持注意力集中性、提高工作效率等目的。如汽車燈光音效調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，設(shè)計重點在于提升駕駛員的專注度[5]；在智能音樂播放系統(tǒng)中，設(shè)計目標(biāo)一般是根據(jù)識別到的用戶情感選擇特定分類的歌曲[6]或根據(jù)歌曲情感改變球燈燈光[7]。目前，這些已有的設(shè)計更多被應(yīng)用在載具設(shè)備、KTV等特定的活動場合；對于更私人化、日?；募揖訄鼍?，目前還缺乏適應(yīng)相關(guān)使用場景的產(chǎn)品設(shè)計。

二、情感化燈光交互裝置的設(shè)計理論基礎(chǔ)

（一）維度情緒模型

人類情緒的狀態(tài)可以利用情緒模型來進(jìn)行量化[8]。出于不同的應(yīng)用場景，目前已有多種情緒模型被建立，主要可分為離散情緒模型和維度情緒模型。離散情緒模型主要對傳統(tǒng)的驚奇、恐懼、厭惡、憤怒、高興、悲傷6種基本情感及其復(fù)合情感進(jìn)行研究[9]。維度情緒模型是將情緒狀態(tài)映射到情緒空間中，能從態(tài)度、強(qiáng)度等多種維度動態(tài)、定量地描述情緒及其變化過程。

喚醒度-效價（Arousal-Valence）情緒模型是一種二維情緒模型，具有“喚醒度”和“效價”兩個維度[9]，如圖1所示。其中，水平維度的“效價”從左到右代表情緒從不愉快到愉快的程度，豎直維度的“喚醒度”從上到下代表情緒從活躍到平靜的程度。這種模型劃分出的情緒群組涵蓋了基本的情緒反應(yīng)，且相互之間能找到明確的區(qū)分。該模型具有表示方式直觀、情緒數(shù)據(jù)易于獲取等優(yōu)勢，能用來擬合離散情緒的過渡變化，可用于對情緒變化的定量計算，將人類情緒表示為向量。

（二）基于維度情緒模型的燈光色彩設(shè)計理論

根據(jù)色彩心理學(xué)原理，不同的顏色具有不同的象征意義，可引起人們不同的情緒反應(yīng)[10]。為了使情緒與色彩的關(guān)系更加直觀且具有理論意義，可采用包含色相、飽和度、光強(qiáng)度3個分量的HSI色彩空間。其中，色彩的分量與情緒具有更加緊密的聯(lián)系，如色相會影響情緒印象和聯(lián)想效果：紅色可激發(fā)活力和激情，藍(lán)色可帶來冷靜和放松，綠色可增加平靜和和諧感等。通過不同色相、飽和度、亮度的組合，可根據(jù)用戶的情緒狀態(tài)產(chǎn)生合理的燈光色彩反饋。

維度情緒模型可用向量的形式將人類情緒表示出來，并與HSI色彩通道建立相關(guān)關(guān)系，更準(zhǔn)確地描述情緒對色彩的偏好。蕭世文通過邀請多位有經(jīng)驗的燈光師為不同情感的音樂調(diào)節(jié)色彩總結(jié)出不同情緒對燈光的偏好，部分結(jié)果對應(yīng)到HSI色彩空間中如圖2[11]，喚醒度、效價與色相之間分別存在相關(guān)性，其中喚醒度與色相的相關(guān)性更強(qiáng)；同時，喚醒度與飽和度具有明顯的相關(guān)性。總體來說，高喚醒度對應(yīng)較高水平的飽和度，而色相受到喚醒度與效價的雙重影響，即喚醒度越高，紅光色越強(qiáng)，色調(diào)偏暖；效價越低，藍(lán)色光越強(qiáng)，色調(diào)偏冷；喚醒度與色相變化的相關(guān)性更強(qiáng)。這些結(jié)論能很好地指導(dǎo)維度情緒數(shù)據(jù)的色彩偏好擬合。

（三）基于維度情緒模型的燈光動態(tài)設(shè)計理論

與色相、飽和度不同，光強(qiáng)度雖然與情緒的直接相關(guān)性不強(qiáng)，但可用于表現(xiàn)燈光的動態(tài)變化。光強(qiáng)度及其動態(tài)變化與人的懼怕感、放松感等都有一定相關(guān)性[4]。因此，選擇適當(dāng)水平的光強(qiáng)度并設(shè)計一定的動態(tài)變化能帶來更好的情緒反饋效果。如擬仿人類呼吸規(guī)律的呼吸燈，柔和的光線變化給人平靜、溫暖的感覺，適合在放松、休息場景中使用；而循環(huán)閃爍的跑馬燈則能在不同條件下產(chǎn)生多樣的效果：快速的跑馬燈可創(chuàng)造出靈活、變化的燈光效果，激發(fā)人的情緒和興奮感，而慢速的跑馬燈通過與柔和的顏色、溫暖的亮度等配合也可用以創(chuàng)造溫馨和浪漫的氛圍。不同燈光動態(tài)模式的選擇以及與燈光色彩的自然配合能夠完善燈光的情緒反饋邏輯，滿足人們的情感體驗需求。

三、情感化燈光交互裝置的情緒識別與表示方法設(shè)計

（一）情緒識別方法

目前，常用的情緒識別的方法主要為多模態(tài)方法，在行為表現(xiàn)層面，可用的模態(tài)包括語音情感、人臉表情等[8]。本文設(shè)計的情緒識別與表示方法如圖3。在通過表情識別情緒的流程中，先使用Haar級聯(lián)分類器[12]檢測畫面中的人臉，將人臉部分截取并輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），最終預(yù)測得到基于表情識別的維度情緒模型向量。在通過語音識別情緒的流程中，先利用VAD聚類算法提取人聲，之后將音頻信號轉(zhuǎn)換為梅爾倒頻譜系數(shù)[13]（MFCC）特征，最終輸入到CNN中，預(yù)測得到基于語音情緒識別的維度情緒模型向量。

（二）情緒表示方法

將表情、語音模態(tài)的維度情緒模型向量結(jié)合，能得到用于光環(huán)境交互的情緒模型向量。由于連續(xù)的表情變化信息會持續(xù)輸入攝像頭，具有更多可被檢測到的細(xì)微特征；而語音輸入是相對不確定的，因此，表情是情緒的主要識別依據(jù)，而將語音為輔助輸入，進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)疊加的決策級模態(tài)融合。

人的情緒變化易受到外界刺激影響，可能在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大波動，但始終具有連續(xù)性，且刺激消失后情緒會逐漸恢復(fù)淡化[14]，因此需要利用權(quán)重來平衡過往情緒信息的影響。當(dāng)下一幀預(yù)測值與當(dāng)前狀態(tài)差異較大，或比當(dāng)前具有更高喚醒度時，預(yù)測值將分配到更大權(quán)重，情緒變化將更迅速，波動更大；反之情緒變化會更溫和、緩慢地反映在情緒模型中。

四、基于維度情緒模型的燈光交互鏡面裝置設(shè)計實踐

（一）交互裝置的總體設(shè)計闡述

在家居環(huán)境中，情緒識別系統(tǒng)可以應(yīng)用在許多情境中，但是并非所有的應(yīng)用情境都是合理的，情境的選擇需要符合使用者的心理感受。在日常的家居元素中，鏡子自古以來就在人的生活中扮演著重要角色，“以銅為鏡，可以正衣冠；以人為鏡，可以明得失”。鏡子反射光線的物理特性，早就被賦予了反省、反思的隱喻屬性。人在照鏡子時本身就是為了滿足自我了解、自我審視的訴求。如今，在照映儀表、裝飾家居等傳統(tǒng)功能之上，還可以進(jìn)一步拓展鏡子反思的維度，使其能夠關(guān)照人的情緒，挑選適合情緒的燈光環(huán)境，提供更加細(xì)致入微的情感關(guān)懷。

基于情感化的燈光設(shè)計理論和多模態(tài)的情緒識別及表示方法，結(jié)合鏡子正衣冠的傳統(tǒng)功能與現(xiàn)代家居裝飾、氛圍營造的新功能，本文設(shè)計實現(xiàn)了一款以鏡子為原型的智能化燈光交互裝置，能夠自然融入用戶的情感生活，利用燈光交互延伸產(chǎn)品設(shè)計范疇。設(shè)計渲染圖與實物圖如圖4。裝置的鏡面材質(zhì)為單向玻璃，具有一面反光、另一面透明的視覺效果。鏡后的顯示器畫面可被投射在鏡面上，攝像頭、麥克風(fēng)等傳感器也能透過鏡面收集用戶的表情、語音數(shù)據(jù)。使用的視頻與音頻傳感器體積較小，可持續(xù)、無接觸地采集數(shù)據(jù)，避免對用戶情緒產(chǎn)生打擾。裝置利用基于維度情緒模型的情緒識別及表示方法實時分析用戶情緒，根據(jù)情緒燈光偏好設(shè)計理論控制LED燈帶的輸出來調(diào)節(jié)燈光，呈現(xiàn)符合用戶情緒的反饋效果，營造個性化的家居氛圍。

圖5為該裝置的模塊示意圖，裝置能夠自動根據(jù)環(huán)境與用戶狀態(tài)控制開關(guān)狀態(tài)、最大亮度、動態(tài)模式等。當(dāng)用戶在鏡前時，燈光和內(nèi)置顯示器的UI會響應(yīng)用戶的需求自動開啟，根據(jù)環(huán)境亮度自動適應(yīng)光線強(qiáng)度，在行為層面滿足用戶需要；并自動根據(jù)用戶情緒調(diào)整燈光色彩，照顧用戶情感層面的需求。如果處于動態(tài)燈光模式下，還會根據(jù)用戶設(shè)置的條件選擇不同的動態(tài)模式。如可設(shè)置為當(dāng)用戶較激動時，切換到比較活躍的跑馬燈模式；當(dāng)用戶處于積極狀態(tài)但較平靜時，切換到相對柔和的呼吸燈模式等。同時，動態(tài)效果的具體表現(xiàn)也會自動跟隨情緒狀態(tài)而變化，表現(xiàn)出流暢、舒緩、激烈等不同狀態(tài)的動態(tài)特征。

（二）基于燈光色彩偏好理論的交互設(shè)計

在鏡面裝置中，燈光色彩的交互設(shè)計很大程度上決定了交互效果，是設(shè)計的核心，如果裝置僅僅能準(zhǔn)確顯示情緒，那么對用戶本人來說并沒有實際意義；只有合理地利用燈光色彩對情緒做出反饋，隨時滿足復(fù)雜善變的情緒偏好，才能切實提高用戶的生活品質(zhì)，傳達(dá)以人為本的理念，體現(xiàn)出設(shè)計的情感關(guān)懷。本文基于維度情緒模型的燈光色彩設(shè)計理論，對情緒維度與色彩分量的關(guān)系分別進(jìn)行了擬合實驗，構(gòu)建了映射關(guān)系。進(jìn)一步根據(jù)維度模型中的情緒分布特點，創(chuàng)新了與偏移距離相關(guān)的色相權(quán)重映射綜合方法，能夠以更符合維度情緒模型中實際情緒分布的方式實時呈現(xiàn)用戶情緒的偏好色彩。

例如，當(dāng)用戶情緒高昂，喚醒度處于較高狀態(tài)時，燈光色彩會更多呈現(xiàn)出黃色甚至紅色等視覺體驗較為激烈的色彩；當(dāng)用戶偏向平靜時，則更多表現(xiàn)為青色、綠色等冷色。燈光色彩的具體表現(xiàn)如圖6所示，（a）和（b）分別展示了喚醒度、效價與色相的映射關(guān)系；（c）展示了喚醒度與飽和度的映射關(guān)系；（d）（e）（f）為3種按照不同權(quán)重進(jìn)行組合得到的總映射關(guān)系，其中（d）為提出的按距離綜合，（e）（f）為按不同權(quán)重進(jìn)行平均綜合?？梢钥闯觯淳嚯x綜合具有更加明顯的情緒分區(qū)效果，對應(yīng)具有更多變、更合理的燈光色彩反饋狀態(tài)。

（三）基于燈光動態(tài)偏好理論的交互設(shè)計

在鏡面裝置中，燈光動態(tài)的交互設(shè)計是其色彩交互設(shè)計的延伸和補(bǔ)充，能夠配合色彩交互方案更進(jìn)一步突出燈光偏好設(shè)計，強(qiáng)調(diào)情感化氛圍。燈光方案主要分為靜態(tài)和動態(tài)兩類模式，兩種方案可以由用戶自行選擇。靜態(tài)燈光方案只跟隨情緒狀態(tài)變化，根據(jù)色彩映射關(guān)系提供靜態(tài)燈光，相對變化較少且溫和，更適合單純作為氛圍燈使用的場景。動態(tài)燈光方案在色彩變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合燈光動態(tài)效果本身的變化特點，額外設(shè)計了與情緒相關(guān)的燈光動效，使情緒的效價、喚醒度能通過影響燈光動態(tài)的控制參數(shù)改變燈光效果。動態(tài)燈光方案的互動性更強(qiáng)，可以通過更多方式產(chǎn)生情緒反饋，更適用于實時的情緒交互場景。

具體而言，動態(tài)燈光方案的設(shè)計主要包括以下兩種，實際效果對比如圖7（a）呼吸燈和圖7（b）跑馬燈所示：

（1）呼吸燈 呼吸燈是在靜態(tài)燈光基礎(chǔ)上增加了強(qiáng)度隨時間強(qiáng)弱變化的動態(tài)效果。當(dāng)情緒的喚醒度和效價偏高時，燈光應(yīng)具有更強(qiáng)的動態(tài)性，相應(yīng)具有更大的振幅和更急促的呼吸頻率；反之則更加平靜，減弱燈光的刺激性。

（2）跑馬燈 跑馬燈是當(dāng)情緒發(fā)生波動時，燈光從局部開始變化，新的顏色逐個傳遞到整個燈帶。跑馬燈的動態(tài)性強(qiáng)，流暢度取決于用戶情緒。當(dāng)情緒處于興奮、生氣等狀態(tài)，即高喚醒度，燈光具有一定的跳躍性，流暢度較低；當(dāng)情緒處于悲傷狀態(tài)，即低效價、低喚醒度，燈光流暢性很高，為靜謐流動的效果。

（四）交互裝置的用戶體驗評估

本文將裝置的評估范圍分為情緒識別、燈光反饋和交互感知3個方面。情緒識別方面主要反映裝置的多模態(tài)情緒識別水平與基于維度情緒模型的情緒表示水平；燈光反饋方面著重考察燈光色彩與動態(tài)效果的合理性、燈光反饋的實時性；交互感知方面主要對裝置整體的智能化水平和交互界面設(shè)計的合理性進(jìn)行評價。共召集7位受試者，進(jìn)行了焦點小組訪談和交互效果評估。在簡單講解裝置功能后，受試者分別與裝置進(jìn)行了隨意、充分的交互，在結(jié)束后填寫了包含情緒識別、燈光反饋、交互感知3個方面共9道問題的量表，最低分1，最高分5。各個方面體驗的最終評分如表1。結(jié)合評分情況和小組反饋得到以下評估結(jié)論：

在情緒識別方面，裝置的靈敏性較高，但準(zhǔn)確性稍低，且表情情緒識別相較語音情緒識別的準(zhǔn)確度和靈敏度更高。說明情緒識別和表示方法設(shè)計比較合理，滿足設(shè)計需求。此外，據(jù)受試者反映，有時情緒識別的結(jié)果存在短暫延遲，說明情緒表示方法中平衡過往情緒信息的權(quán)重還需要調(diào)整。

在燈光反饋方面，裝置的實時性較好，且受試者對燈光動態(tài)的情感化滿意度較高，對燈光色彩的情感化滿意度稍低，提示對色彩偏好理論的挖掘還可以更加深入。綜合來看，燈光色彩和動態(tài)模式設(shè)計比較有效，能夠根據(jù)用戶情緒做出比較合理的燈光反饋，滿足用戶的情感體驗需求。

在交互體驗方面，受試者給予裝置智能化水平的評分較高，但對用戶界面的評價稍低。說明裝置整體的交互設(shè)計思路有效合理，但用戶界面設(shè)計還可以進(jìn)一步細(xì)化。

根據(jù)以上評估結(jié)論，設(shè)計方案可在幾方面繼續(xù)改進(jìn)：迭代語音情緒識別模型，優(yōu)化人聲檢測方法，提升情緒識別準(zhǔn)確率；對情緒表示算法進(jìn)行更多調(diào)整與實驗測試，繼續(xù)探索更好的情緒識別模態(tài)融合方式；增大燈光反饋的測試規(guī)模，基于評估結(jié)果調(diào)整燈光反饋參數(shù)，使之能夠更加合理地響應(yīng)用戶情緒；豐富用戶界面交互內(nèi)容，提供更多的交互元素，充分利用內(nèi)置顯示器功能，比如增加語音控制顯示內(nèi)容等。

結(jié)論

本文研究了情感化智能家居燈光交互鏡面裝置的設(shè)計方法，基于情感化燈光設(shè)計理論與多模態(tài)的情緒識別方法設(shè)計了以鏡子為原型的交互裝置。首先，基于維度情緒模型建立了情緒色彩偏好的映射關(guān)系，并根據(jù)情緒對應(yīng)燈光動態(tài)變化的相關(guān)理論，設(shè)計了多種燈光效果反饋模式。之后，設(shè)計并制作了整套軟硬件交互裝置，實現(xiàn)了從情緒識別到燈光反饋的完整方案。本文以鏡面裝置為例，探索了提升用戶在智能家居場景中情感化體驗的具體方法，并將理論成果應(yīng)用在裝置與交互的設(shè)計上，為情感化的智能家居產(chǎn)品設(shè)計提供了實踐經(jīng)驗與思路。

基金項目：哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計學(xué)院，互動媒體設(shè)計與裝備服務(wù)創(chuàng)新文化和旅游部重點實驗室，文旅部重點實驗室資助項目：基于深度學(xué)習(xí)的個人視頻日志生成關(guān)鍵技術(shù)研究

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