基于ＢＢＮ情感模型的和諧人機(jī)交互研究

摘要：提出了一種將個(gè)性、情感、情緒分層表示的思想，并且利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行情感建模，通過虛擬人臉的面部表情來反映情緒的變化，旨在賦予機(jī)器類人的情感，達(dá)到更加真實(shí)和諧的人機(jī)交互。最后將此情感模型應(yīng)用于情感虛擬人交互系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明，該模型簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，且易于實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：貝葉斯； 情感模型； 人機(jī)交互； 虛擬人

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)12-0077-03

人機(jī)交互(HCI)是計(jì)算機(jī)學(xué)科中最年輕的分支學(xué)科之一。它是研究人、計(jì)算機(jī)以及它們間相互影響的技術(shù)，涉及當(dāng)前許多熱門的計(jì)算機(jī)技術(shù)，如人工智能、自然語言處理等，同時(shí)也吸收了社會(huì)學(xué)和心理學(xué)的研究成果。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們迫切地需要能夠簡(jiǎn)單、輕松地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行自然、友好的交流。要達(dá)到真正的自然友好的人機(jī)交互，除智能外，情感也是和諧人機(jī)交互中的必要因素。本文目的在于利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BBN)來構(gòu)建情感模型，并將其應(yīng)用于一個(gè)虛擬人的人臉，通過人臉的面部表情變化來反映它的情感及情緒狀態(tài)的變化。

1貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

最早由Judea Pearl于1988年提出的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上就是一種基于概率的不確定性推理網(wǎng)絡(luò)。它是用來表示變量集合連接概率的圖形模型，提供了一種表示因果信息的方法。它逐步成為處理不確定性信息技術(shù)的強(qiáng)有力工具，并且在計(jì)算機(jī)智能科學(xué)、工業(yè)控制、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的許多智能化系統(tǒng)中得到了重要的應(yīng)用。

一個(gè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)DAG(directed acyclic graph，有向無環(huán)圖)，由代表變量節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)的有向邊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，節(jié)點(diǎn)間的有向邊代表了節(jié)點(diǎn)間的相互關(guān)系(由父節(jié)點(diǎn)指向其后代節(jié)點(diǎn))，用條件概率表達(dá)關(guān)系強(qiáng)度。沒有父節(jié)點(diǎn)的用先驗(yàn)概率表達(dá)信息。本文之所以選擇貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)情感建模，原因在于人類情感復(fù)雜、多變而且具有不確定性，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)容易建立，沒有結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)過程，只需要先驗(yàn)概率就可以完成計(jì)算；另外，它的分類過程十分高效。雖然傳統(tǒng)的HMM也比較適合人類心理的特征描述，但是它有分類能力差、對(duì)于相似的類別方面不易區(qū)分的缺點(diǎn)。

2虛擬人性格層次模型

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有個(gè)性化的虛擬人(Alice)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。其中對(duì)虛擬人的性格建模參照了心理學(xué)領(lǐng)域的five factor model(FFM)，即五因素（外向、愉快、公正、神經(jīng)質(zhì)和直率）模型。這五個(gè)因素可以作為個(gè)性化空間的緯度。所有個(gè)性化的緯度在不同程度上與表情以及情緒表達(dá)密切相關(guān)。例如，外向會(huì)影響理性行為，中性會(huì)影響感性行為，而應(yīng)用這五個(gè)因素的組合可以實(shí)現(xiàn)任何一種個(gè)性化的表達(dá)。

與許多建模方法不同的是，筆者采用了一個(gè)分層的方法來對(duì)性格、情感以及情緒進(jìn)行建模，將實(shí)現(xiàn)一個(gè)分層的個(gè)性化模型（個(gè)性化—情感—情緒）。這樣的設(shè)計(jì)模塊可以使系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)。

2.1概念

首先解釋一下個(gè)性化情感和情緒的含義。在心理學(xué)上，人格即個(gè)性，它是指?jìng)€(gè)人穩(wěn)定的心理品質(zhì)。情緒和情感是指人對(duì)于客觀事物是否符合自己的需要而產(chǎn)生的態(tài)度的體驗(yàn)。兩者既有區(qū)別又有聯(lián)系。一般來說，情感是在多次情緒體驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成的，并通過情緒表現(xiàn)出來；反過來，情緒的表現(xiàn)和變化又受已形成的情感的制約。情緒與情感也有區(qū)別：情緒具有情境性、暫時(shí)性，而情感較穩(wěn)定；情緒較低級(jí)，不僅人具有，動(dòng)物也經(jīng)常發(fā)生，而情感則較高級(jí)，是人特有的心理現(xiàn)象。 情緒發(fā)生時(shí)會(huì)有一系列的外部表現(xiàn)，如面部表情、動(dòng)作表情及語言表情。

個(gè)性化—情感—情緒的分層模型如圖1所示。a)最高層：個(gè)性化，不能隨著時(shí)間而改變。它引起反應(yīng)，并將影響情感在一段時(shí)間內(nèi)將如何變化。b)中間層：情感。同時(shí)受高層次的個(gè)性化和低層次的情緒狀態(tài)影響。c)最低層：瞬時(shí)的情緒狀態(tài)，與可見的表情連接，同樣會(huì)受情感的影響。這里先將情感簡(jiǎn)單分為兩類，即好和壞。當(dāng)然，也存在無法表達(dá)出來的情感，這種情感稱為中性情感。

對(duì)于多種不同的情緒狀態(tài)，綜合考慮情緒的復(fù)雜性和計(jì)算的簡(jiǎn)單性。筆者采用OCC情感模型和Ekman提出的6種基本情感相結(jié)合。OCC定義了22種情緒，其中有些與Ekman提出的是相重合的，但缺少吃驚和厭惡2種情緒。所以本文一共定義了24種情緒(OCC的22種+吃驚+厭惡)，而又將這24種情緒劃分到了6種表情中，以便于面部表情的表達(dá)。其分類如表1所示。

2．2擴(kuò)展Alice標(biāo)簽

為了模擬合理的個(gè)性化，筆者使用一個(gè)對(duì)話機(jī)器人Alice來充當(dāng)虛擬人。Alice使用AIML(人工智能標(biāo)記語言)為底層技術(shù)。如果用戶輸入符合AIML的條目，就會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的回答。文獻(xiàn)[1]有對(duì)AIML的具體描述。為了賦予Alice情緒，筆者考慮擴(kuò)展AIML，為它增加一個(gè)情緒標(biāo)簽，利用這些標(biāo)簽來表示虛擬人當(dāng)前的情緒狀態(tài)。系統(tǒng)中采用了與之前24種情緒對(duì)應(yīng)的24個(gè)情緒標(biāo)簽。例如，

〈category〉

〈pattern〉What are you doing?〈/pattern〉

〈template〉〈emo name=\"pride\" prob=\"30\"〉〈emo name=\"distress\" prob=\"70\"〉 I am very busy nowadays.〈/template〉

〈/category〉

以上為一段引入情緒標(biāo)簽的AIML，回答時(shí)賦予Alice兩種可能的情緒：驕傲(概率為0.3)和沮喪(概率為0.7)，而最終的結(jié)果要通過本文的個(gè)性化及情感模型處理模塊表現(xiàn)出來。

3利用BBN構(gòu)建個(gè)性化模型

圖2顯示了筆者使用的BBN模型。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的包括兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)和一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于FFM模型中五個(gè)基本因素，筆者分別為每一個(gè)因素均建立一個(gè)相應(yīng)的BBN。當(dāng)然用戶可自己指定期望的任意兩個(gè)或幾個(gè)因素的組合。例如，完全可以建立這樣一個(gè)個(gè)性化：其中20%的外向，80%的神經(jīng)質(zhì)，然后組合相應(yīng)的先驗(yàn)概率及概率轉(zhuǎn)換值，并且進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即可得到期望的個(gè)性化模型。

6結(jié)束語

本文提出了結(jié)合FFM和BBN模型，可以構(gòu)造出不同個(gè)性的虛擬人物，從而適應(yīng)人類的不同情感需求，實(shí)現(xiàn)和諧的人機(jī)交互環(huán)境，為情感模型的建立提供了一種理論方法。

但其情感狀態(tài)的劃分方法還不盡完美。人類的情感空間是一個(gè)連續(xù)空間，所以今后需要研究用連續(xù)的情感狀態(tài)來代替分離狀態(tài)。

總之，情感虛擬人交互技術(shù)是信息科學(xué)研究中具有挑戰(zhàn)性的課題，情感虛擬人的人工心理數(shù)學(xué)模型則是其中的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際上對(duì)此方面的研究非常少，希望本文的工作能夠?qū)?guó)內(nèi)外關(guān)于人工情感建模和感性信息處理方面的研究起到一定的推動(dòng)作用。

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