祝長生　王志良

摘要：人工情感(Artificial Emotion)是人工智能領域的擴展研究，是北京科技大學智能科學與技術專業(yè)的特色課程。本文介紹了“人工情感”課程教材的教學內(nèi)容、組織形式、輔助教材建設及與該教材配套的情感機器人實驗平臺等內(nèi)容，并對智能科學與技術專業(yè)的相關教材建設作了思考。

關鍵詞：智能科學；情感計算；感性工學；機器人；教材

中途分類號：G642文獻標識碼：B

1引言

人工情感(Artificial Emotion)是利用信息科學的手段對人類情感過程進行模擬、識別和理解，使機器能夠產(chǎn)生類人情感，并與人類進行自然和諧人機交互的研究領域。1981年就有人開始研究人工情感問題，但是直到1990年以后它才開始逐漸引起人們的關注，特別是近幾年，對人工情感的研究越來越受到人們的重視。1995年，美國MIT媒體實驗室的R，Picard教授提出了“情感計算(Affective Computing)”的概念，并于1997年正式出版了專著《Affective Computing》。情感計算研究就是試圖創(chuàng)建一種能感知、識別和理解人的情感，并能針對人的情感做出智能、靈敏、友好反應的計算機系統(tǒng)。日本學者Nagamachi提出了“感性工學(Kansei Engineering)”的新術語，并展開了以消費者為導向的新產(chǎn)品開發(fā)研究。2000年，北京科技大學的王志良教授提出了“人工心理(Artificial Psychology)”的理論，并于2007年出版了《人工心理》專著。

心理學家認為，人工情感是在人工智能理論框架下的一個質(zhì)的進步，這充分表明了新世紀人工科學的多學科交叉研究，彼此互為影響的特點。人工情感必將為計算機的未來應用展現(xiàn)一種全新的方向。

2學術科研背景

人工情感作為人工智能的擴展研究，已經(jīng)在應用方面取得了許多進展(主要是在美國、日本和歐盟國家)。但是，由于情緒心理學理論方法的多樣性，導致人工情感理論與研究方法都不十分成熟，使得應用技術受到了很大影響。

綜合國際上關于人工情感專題研討與論述，我們將人工情感研究領域面臨的主要挑戰(zhàn)歸納如下：

(1)情緒心理學理論的多樣性，導致人工情感理論方法的不一致，以至于很難找到適用于信息科學的人工情感的統(tǒng)一理論方法。

(2)目前幾乎還沒有符合人類情感規(guī)律并適于機器實現(xiàn)的人工情感自動生成模型；

(3)在智能推理過程中，如何考慮情感影響的因素，實現(xiàn)真正意義上的擬人推理過程。

(4)目前還沒有為人工情感研究者提供完善服務的計算機仿真平臺及情感計算庫。

(5)語音情感信息處理技術和表情識別技術的不成熟，成為制約人工情感與和諧人機交互技術發(fā)展的瓶頸。

(6)如何實現(xiàn)多模態(tài)情感信息融合、識別與理解，實現(xiàn)自然和諧的人機交互平臺環(huán)境。

(7)人工情感的研究成果如何與成熟的人機交互平臺相結合。

(8)如何驗證機器情感的正確性是人工情感研究面臨的圖靈測試問題。

(9)如何從人工情緒(Artificial Emotion)走向仿真情緒(simulating Emotion)、工程情緒(Engineering Emotion)，進而找到重大應用突破點，這將是一個亟待解決的問題。

針對這一學科前沿的源頭問題，進行創(chuàng)新性研究，解決普遍認為是人工情感的幾個困難問題，是我們未來研究面臨的主要挑戰(zhàn)，也是我們的機遇。

3現(xiàn)實面臨的問題

2003年，北京大學智能科學系率先提出成立“智能科學與技術”本科專業(yè)，主要從事機器感知、智能機器人、智能信息處理等交叉學科的研究和教學。并于2004年在國內(nèi)開始招生。隨后的幾年里，全國多所重點院校都成立了自己的“智能科學與技術”專業(yè)，并擁有了相關的碩士點、博士點以及博士后流動站。

隨著本科生、碩士生和博士生以及從事智能科學研究人員隊伍的不斷壯大，使得教材建設的問題逐漸凸顯?！爸悄芸茖W與技術”專業(yè)作為最年輕也最有發(fā)展?jié)摿Φ膶W科，還沒有自己專業(yè)系列教材，許多高校的教材大都采用計算機類、通訊類的課程，而這些教材大都處在“知識結構老化，更新緩慢”的狀態(tài)，已經(jīng)不能適應該學科的發(fā)展，成為制約學科建設和教學水平提高的重要因素。教材是基本教學內(nèi)容的載體，好的教材可以在教學方法上提供相應的參考，不僅為教學提供依據(jù)，還會助推本學科不斷完善，學生培養(yǎng)體系的逐漸規(guī)范。因此，建設新教材，使之盡快與國際接軌，已成為亟待解決的重大問題。

2007年開始，北京科技大學招收智能科學與技術專業(yè)本科生，該專業(yè)的本科生將在2009年下半年進入專業(yè)課階段學習，專業(yè)教材的建設問題已迫在眉睫。我們通過跟蹤調(diào)查北京科技大學智能科學與技術專業(yè)本科生、研究生的教育基礎、教學現(xiàn)狀和教學需求，結合兄弟院校的專業(yè)教學情況，深入分析我國現(xiàn)代化建設的人才需求和本學科的自身發(fā)展、結構特點，系統(tǒng)總結國內(nèi)外在“智能科學與技術”專業(yè)教學改革和實踐中取得的成果和共識，進行了《人工情感》教材的編寫。

作為知識的載體，教材是按照一定的教育目標和教學規(guī)律組織起來的科學知識系統(tǒng)。從教材的構思到教材的最終出版，一般科學的方法總共需要經(jīng)歷如下幾個步驟，如圖1所示：

(1)教材構思、大綱制定：這一階段主要是集思廣益，根據(jù)教材所面對的受眾群體，大概劃定教材所要包含的內(nèi)容，反復討論并修改大綱，根據(jù)教材內(nèi)容劃分章節(jié)，制定章節(jié)標題。

(2)拓展思路、廣搜資料：這一階段主要是組織參編人員搜集第一手資料，整理素材，逐漸使材料規(guī)范化、書面化。

(3)分工明確、力求完善：這一階段要組織好參編人員，做到各司其職，各負其責，把各人負責的章節(jié)按照事先的規(guī)劃，將理論知識、應用實例、習題及答案補充完整。

(4)精益求精、查漏補缺：把已經(jīng)初步完成的教材送給相關教師及同學，讓他們以初學者的身份，以局外人的眼光反復閱讀，提出意見。經(jīng)過反復修改，書稿基本成型，添加上必要的前沿、提要和縮略語。

(5)課堂實踐、反復審校：初步形成的教材講義，必須要經(jīng)過課堂教學的不斷實踐，并根據(jù)教學心得和課堂反饋意見反復修改。最后，拿給出版社審校，幾經(jīng)修改方可出版。

4教材規(guī)劃與內(nèi)容安排

依據(jù)上述思路，自2003年起，結合我校研究生課程“人工心理和情感計算”的教學實踐，在研究生講義的基礎上，我們著手“人工情感”研究生教材的資料收集、整理以及章節(jié)、內(nèi)容安排，目前，該教材的終稿已交付并將在機械工業(yè)出版社出版。通過多年的教學實踐，根據(jù)學生現(xiàn)狀及教學效果，不斷調(diào)整教材內(nèi)容，以“適應性、實用性”為宗旨，定位于普通高校智能科學與技術專業(yè)研究生學生，以素質(zhì)教育為需求，注重培養(yǎng)學生科研及創(chuàng)新能力，

提高學生的科學素養(yǎng)。

全書共分為9章：

第1章較詳細地介紹了情緒心理學、情緒生理學、情緒社會學的基本理論及相關研究歷程，總結了腦科學研究在情感計算中的作用及色彩與心理學之間的相互關系。

第2章介紹了情緒的空間描述及維度化理論，總結了幾種比較典型的情緒維度空間理論及國外科研工作者提出的人類情感數(shù)學模型。

第3章闡述了用數(shù)學方法描述情緒的重要性，給出了幾種典型的人工情感建模方法，展示了情感建模的發(fā)展狀況及前沿研究。

第4章結合實際應用，介紹了幾種情感建模方法，并給出了應用實例，有助于學習者理論聯(lián)系實際，對人工情感的研究與發(fā)展樹立起明確的目標。

第5章結合現(xiàn)代遠程教育發(fā)展狀況，提出了把遠程學員的情感數(shù)字化方法，建立起情感模型，并應用到遠程教育系統(tǒng)，取得了不錯的效果。

第6章主要講述了人臉識別系統(tǒng)的構成、實現(xiàn)方法，是一個應用性很強的人臉識別設計范例。

第7章詳細介紹了表情識別系統(tǒng)的設計實現(xiàn)，詳細講解了特征點定位、提取方法以及基于SVM的表情分類器的設計。

第8章主要講述了網(wǎng)絡游戲中的情感數(shù)字化，闡述了人工情感在游戲設計中的應用。

第9章詳細介紹了情感機器人的發(fā)展狀況、設計及實現(xiàn)方法，并對人工情感在智能機器人的應用作了相應的闡述。

本教材在寫法上盡量做到深入淺出、通俗易懂、簡潔明了，編寫過程中遵守了以下三點原則：

(1)全面性與計劃性相結合

人工情感理論和應用研究，還是一個嶄新領域，還有很多疑難問題沒有解決，發(fā)展得不夠成熟，所以在編寫教材的過程中，我們盡量做到知識的全面性，從基礎理論到熱門方向的研究，都作了較為詳細的介紹。同時，也考慮到系列教材的出版，在內(nèi)容安排上，兼顧其他教材，做到統(tǒng)籌安排。

(2)基礎知識與專業(yè)技術相結合

智能科學與技術專業(yè)的學生執(zhí)行的是工科學生的培養(yǎng)計劃，在心理學基礎理論方面比較欠缺，因此本教材前四章以拋磚引玉的方式介紹了有關心理學、腦科學、計算數(shù)學的基礎知識，并在后面幾章中結合工科學生的專業(yè)技術，結合應用實例展開內(nèi)容。

(3)理論知識與實踐相結合

本教材在內(nèi)容安排上注重理論與實際應用并重的原則，在理論闡述的基礎上，對相關研究進行了應用舉例，對初學者或者初涉此領域的研究者，都能起到很好的引導和啟發(fā)作用，增強了學習者的學習動力，提高了他們的學習興趣。

5教學并舉與科研相濟

教材講義已于2008年12月交付機械工業(yè)出版社，雖然目前還未出版，但教材的初稿已多次作為我校研究生“人工心理與情感計算”課程的講稿，學生使用后普遍反映良好，認為教材充分體現(xiàn)了學科交叉的特點，融合了心理學、信息科學和智能科學的相關理論、算法思想和應用實例，并進行了相應的概括歸納，以簡潔實用的方式呈現(xiàn)給讀者，具有易讀、易懂性，而且實例豐富，非常實用，并且就講義中存在的問題，提出了寶貴的意見。

在完成了本版教材的編寫工作的基礎上，為達到教學并舉，科研相濟，經(jīng)過多年的努力，我們已經(jīng)建立了系列情感機器人系統(tǒng)實驗平臺(前文詳細介紹)，如圖2情感機器人系統(tǒng)實驗平臺外形。這是一個多模態(tài)信息融合的實驗平臺，具有視頻獲取、聲源定位、多路觸摸傳感、熱釋電感應及觸摸屏選擇等多通道輸入，可以通過語音、動作、光電、圖片等形式表達感情。該情感機器人采用開放式平臺，能夠為學生提供多種人工情感理論和模型的驗證實驗。圖3為該情感機器人的系統(tǒng)體系結構。

6展望未來

“智能科學與技術”專業(yè)在國內(nèi)才剛剛起步，是一個全新的學科，各個學校都有自己的特色。目前來看，在學科建設方面制定一個普適的方案是不現(xiàn)實的。而特色課程恰恰是新學科區(qū)別與相關學科的重要標志，也是各個大學百花齊放的陣地。

因此，對于我們每一位從事教學一線工作的教育工作者應該能夠瞄準社會發(fā)展和人才需求的新趨勢，溝通交流，互通有無，充分利用現(xiàn)有的教學資源，并堅持一定得超前性，為新學科的發(fā)展和完善添磚加瓦，建言獻策。

我們基本是以專著的形式來編寫《人工情感》這本教材，主要是面向我校研究生，沒有考慮本科生基礎學習的要求。今后，我們愿與兄弟院校合作，編寫《智能科學與技術》專業(yè)本科教材，并在此基礎上推出電子教案、應用案例實驗指導書等配套教參，為發(fā)揮教材的效用，增強教學效果提供更好的輔助措施和環(huán)境。