基于面部識別的情感輔助調節系統

何正軒

摘 要：隨著識別技術被廣泛地應用到各個領域，人臉識別技術也日漸成熟。通過人臉的面部表情特征而識別當前人的情感狀態也已經被心理學研究證明。基于此，本文提出了基于面部識別的情感調節系統設計，它利用目前的人臉識別技術將人面部某些特定部位的變化加以分析和歸類，并進行情感的識別，進一步通過情感匹配技術從人的視覺、聽覺、嗅覺甚至觸覺等感官方面進行有利引導，從而對人的心理狀態起到調節、優化的作用。

關鍵詞：心理學；人臉識別；情感匹配；感官調節

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

0.引言

隨著科學技術的進步和智能手機的出現，越來越多的人習慣了一個人的娛樂方式，從而忽視了人與人之間的情感交互，進而導致頻發的情感事故，據全球時報調查顯示，僅2012年1年，美國紐約就因情感糾紛以及自閉癥導致的死亡事件多達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，因此設計一款識別并進行心理緩釋的系統很有意義。

同時近年來人臉模式識別方法有了較大的突破，提出了多種機器全自動識別系統，因此面部識別技術已能夠在實際生活中廣泛運用，并且僅僅從面部表情中就能讀取出人們所想表達的喜、怒、哀、樂等情緒和內在的心理活動。以上技術為本設計提供了強大的理論依據與技術支撐，具有很高的可行性。

1.相關技術

1.1 人臉檢測技術

1.1.1 當前發展情況。人臉識別是源于20世紀90年代。經過近代高速發展，現在已經有一些機構、高校在進行人臉識別新領域、新技術的研究。比如遠距離人臉識別技術，3D人臉識別技術等。3D人臉識別技術，即從三維角度識別人臉的特征方法，將人臉用立體圖像來表示，可以在計算機上生成3D的人臉動畫來表達人的運動、姿態和表情。這種動畫的人臉可以在不同的環境下，從而應用和發展為虛擬現實。三維人臉識別可以應對各種光線干擾，甚至在夜晚能見度較差的環境下也可以識別人臉信息。3D人臉識別可以在目標移動過程中進行識別，此外立體化識別不局限于人臉正面，適用于各個角度，面部頭發遮擋、姿態變化也可做到高準確率識別。由此本設計配備3D人臉識別技術，以達到精確識別的目的。

1.1.2 人臉識別流程。系統的核心為人臉識別子系統，該子系統由圖像采集裝置、圖像處理模塊、數據庫與控制模塊4部分組成，首先由采集裝置檢測并采集面部數據，其次交由圖像處理模塊進行圖像的處理并匹配數據庫中的情感特征，最后根據其特征匹配結果交由控制模塊操控系統進行調節。其模塊內部工作原理如圖1所示。其中預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，加強有用的信息，增強特征信息。而人臉的表征就是選擇提取人臉的特征，從而進行情感匹配，應用了膚色特征提取和灰度特征提取兩種方法將實現空間的圖像映射到機器空間。

1.2 情感識別

1.2.1 概述。人的面部表情一定程度展現了其心理的相關情感狀態，我們可以通過人的表情來推斷其所處的情緒狀態。例如人們高興時的面部動作包括：嘴角翹起，面頰上抬起皺，眼瞼收縮，眼睛尾部會形成“魚尾紋”；傷心時面部特征包括瞇眼，眉毛收緊，嘴角下拉，下巴抬起或收緊；害怕時，嘴巴和眼睛張開，眉毛上揚，鼻孔張大。根據這些不同的特點，通過一定的算法進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，本設計通過考察分析采用幾何特征法。幾何特征法是根據人的面部的各個部分的形狀和位置（包括嘴、眼睛、眉毛、鼻子）來提取特征矢量，這個特征矢量來代表人臉的幾何特征。根據這個特征矢量的不同就可以識別不同的表情。重要的方法是：基于運動單元（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，與數據庫中的矢量進行匹配識別，從而得到該面部識別的對應信息。

2.調節系統

2.1 聽覺調節模塊

聽覺是影響人心情變化的一個重要感官，人的喜怒哀樂等多種情緒均可以透過樂聲表達出來，同時樂聲也能進行情感影響，這在音樂心理學上具有很長的研究歷史。音樂的基本要素、表現手段主要有：音高、音長、和聲、節奏、曲式、音色、速度、力度等等。不同的特點能夠對人的心情起伏造成不同影響。例如快節奏的音樂給人以歡騰、熱烈、激動或急促緊張的感覺；而慢節奏的音樂一般表現舒緩、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，我們將不同的音樂進行相應地分類，保存在我們的系統數據庫中，代表了不同情感狀態下應給于的樂聲選擇。該模塊運行情況下，當控制系統下達指令后，通過一個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，波形等以達到收聽者最適合的類型，從而調節收聽者的心情。

2.2 視覺調節模塊

視覺也是影響人們心情的一大重要因素，色彩心理學提到：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，其反應與變化是極為復雜的。不同顏色對人的影響不同，如紅色是個能量充沛的色彩，使人激情澎湃；藍色使人心得以平靜，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行心理輔助治療，即色療。所以添加視覺調節模塊來對人的情感進行進一步調節。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，接收到控制系統指令后，依據當前情感匹配結果，通過色彩控制裝置調節墻壁與燈光的顏色，故要求墻壁內用特殊感光材料，而燈具則應使用可變化的多彩燈泡。

2.3 空氣條件調節模塊

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，當環境溫度超過34℃時，人不僅大汗淋漓，容易食欲不振，而且心情煩躁，易產生過激行為，心境低落。濕度：濕度過大時，也會使人無精打采，并且心情低落，郁悶，伴隨睡意；而當濕度過小時，會使人躁動不安，產生過激行為。當人心情緊張焦慮時，適度的清淡的芳香也能夠令人大腦放松，心情變好。由此設置空氣條件調節模塊，主要通過與空調、加濕器等器件的聯動進行。當控制系統發來指令，我們可以根據當前情感匹配情況進行溫度、濕度的調節，同時在加濕器的內部設置芳香精油，如有需求可以自動滴加到加濕器的水中，從而產生一定的芳香作用，從而輔助調節人的情感。

3.系統整體結構與功能

系統的整體結構如圖2所示，主要包含人臉識別系統、情感匹配數據庫、控制系統等結構。系統的工作流程可以描述為：外界的人臉表情3D信息通過人臉識別系統進行采集，隨后進入情感匹配數據庫以得到當前人的情感狀態，同時系統內設有肢體行為檢測系統與紅外線體溫檢測系統來輔助情感的匹配準確度；匹配完畢后將當前結果送至控制系統，可由控制系統對聽覺、視覺、空氣條件三大模塊發布指令從而進行環境因素的調節，從而達到用戶心情調節的目的。同時反饋調節系統可以根據當前輸出的條件與實時監控用戶情感匹配的進一步結果而調整控制系統的指令，進行不斷的迭代優化；而用戶操作系統可以人為的選擇啟用哪些模塊調節，從而更加人性化調節。

4.創新性與發展前景

本文利用當前諸多前沿技術，并結合相關心理學理論進行了基于面部識別的情感調節系統設計，符合當前市場需求，并進行了詳細地說明與分析，證明該系統具有良好的實用性與可行性，可以用于家庭自身進行情感調節，也可以用于企業進行員工工作狀態的評測等，前景非常廣闊。

參考文獻

[1]梁路宏，艾海舟，徐光，等.人臉檢測研究綜述[N].計算機學報，2002-5.