北京郵電大學(xué) 熊 朔 王又立 鄭 凰 張 進(jìn)

居室環(huán)境心情調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

北京郵電大學(xué) 熊 朔 王又立 鄭 凰 張 進(jìn)

本文介紹了一個通過智能改變居室內(nèi)環(huán)境來調(diào)節(jié)人心情的綜合性交互式系統(tǒng)的設(shè)計方案，來達(dá)到改善居室內(nèi)目標(biāo)對象情緒的目的。通過室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和人臉表情識別技術(shù)獲得一般化的有助于改善人體心情的相關(guān)參數(shù)和信息，應(yīng)用環(huán)境心理學(xué)的相關(guān)知識智能化處理分析，得出適合改善對象心情的調(diào)整居室環(huán)境的方案，最終實(shí)現(xiàn)在改變居室內(nèi)環(huán)境要素（如環(huán)境色調(diào)、墻體圖案和背景音樂等）的方案下實(shí)質(zhì)性地改善目標(biāo)對象的心情。從集成傳感器檢測并甄別天氣因素和人臉表情識別系統(tǒng)解讀人臉影像信息的環(huán)節(jié)開始，系統(tǒng)將智能化地對目標(biāo)對象的置身環(huán)境和心情狀況作出分析并輸出調(diào)整居室環(huán)境的方案，然后作為執(zhí)行端的組件將實(shí)現(xiàn)更改環(huán)境色調(diào)，調(diào)整墻體圖案和輔助播放背景音樂等功能。該系統(tǒng)旨在通過室內(nèi)客觀實(shí)在的墻體圖案，背景音樂形成的“景”喚起體驗(yàn)者的愉悅之“情”，并且通過色彩、圖案、音樂的變換，形成不同的心情主題，給予在外奔波身心俱疲的現(xiàn)代人深切的人文關(guān)懷。

調(diào)節(jié)心情；人臉表情識別；環(huán)境心理學(xué)；環(huán)境監(jiān)測

1.目的意義

現(xiàn)代人的生活圈被禁錮在了不斷拔起的水泥森林的狹小空間內(nèi)，面對的是恒定式的白色磚墻和扎眼的瀝青馬路，耳朵里塞滿了嘈雜的汽笛和浮躁的鼠標(biāo)鍵盤聲。身心俱疲的我們需要生活環(huán)境的改善和居室現(xiàn)狀的革新，與其說把城市環(huán)境夷平重新建設(shè)，遠(yuǎn)不如直接改善我們生活和工作的居室環(huán)境來得易行有效，這就是我設(shè)計這個居室心情調(diào)節(jié)系統(tǒng)的直接目的。

我設(shè)計研發(fā)的居室心情調(diào)節(jié)系統(tǒng)的誕生將具有廣泛而深刻的意義。作為居室環(huán)境變化的心情調(diào)節(jié)方案，其設(shè)計本身不光具有環(huán)境心理學(xué)的內(nèi)涵，更是居室設(shè)計美學(xué)的延伸，其實(shí)際意義在于設(shè)計一套可以隨時按指令集命令或主觀意愿更換居室裝飾環(huán)境的智能圖形投影系統(tǒng)。在智能選取或輸出可選列表時，就可以隨時像更換手機(jī)壁紙一樣更換房間內(nèi)的裝飾背景和圖案，這套系統(tǒng)的娛樂性和實(shí)用性又將增色不少。

另一方面，這個系統(tǒng)可以基本應(yīng)用于小型家庭的裝飾變換，這樣不僅可以給很多家庭節(jié)省下來大量的裝修費(fèi)用，更能讓使用者體驗(yàn)到不同風(fēng)格，不同樣式的裝飾。而完成這一系列的變換，僅需讓攝像頭拍一張照片或輕觸按鍵。

在節(jié)省部分高昂裝修費(fèi)用的同時，我們也遠(yuǎn)離了頻繁接觸裝修材料對人體健康的損害。這樣通過投射影像來改變環(huán)境背景的裝飾方式在選擇上的可塑性和二次利用價值都是固化的家居背景圖案和材料無法比擬的。

娛樂性體現(xiàn)在隨心情和天氣變換的背景圖案上，年輕人不喜歡一成不變而崇尚個性，在開放圖案和背景音樂的數(shù)據(jù)庫給用戶的情況下，用戶自行選擇的余地和可操作性以及可玩性都將是設(shè)計的亮點(diǎn)，這也肯定會受到學(xué)生群體和年輕白領(lǐng)的大力追捧。實(shí)現(xiàn)“研究成果能夠體現(xiàn)很好的專業(yè)技術(shù)的綜合性或具有很好的可視化效果，容易在學(xué)生群體中產(chǎn)生感性反響?！?/p>

實(shí)用性體現(xiàn)在可以借助虛擬數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)超大容量隨時隨地裝載能改善心情的裝飾方案，摒棄了費(fèi)財費(fèi)力的實(shí)體裝修，幾乎實(shí)現(xiàn)幾乎零成本，零周期和零污染。而且，改善心情對于人的意義更是無法簡單估量的，這更將大幅改善現(xiàn)代人的生活狀態(tài)和身心健康，實(shí)現(xiàn)良好的社會效益。滿足“成果一旦得到應(yīng)用會產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)的實(shí)用價值或社會效益。其影響面至少在一個局部產(chǎn)生效應(yīng)?！?/p>

經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在改裝的硬件投入大多可由現(xiàn)有的家居設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，比如背景音樂可以由家庭影院外接已由電腦智能控制的數(shù)字轉(zhuǎn)盤來啟動并播放。而且多維影音控制都可以在軟件層面上給予很大的幫助。包括只需特定的幾臺投影設(shè)備即將實(shí)現(xiàn)背景圖案的變化，都是以極低的成本達(dá)到良好的預(yù)期效果。再考慮與心情結(jié)合的一體化影音效果更能修身養(yǎng)性，滿足“研究成果得到應(yīng)用后的性價比高，經(jīng)濟(jì)效益好?！?/p>

2.系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)路線

系統(tǒng)技術(shù)路線圖見圖1。

（1）輸出捕獲圖像；

（2）綜合分析處理加權(quán)人臉心情參數(shù)和加權(quán)環(huán)境心情參數(shù)；

（3）分析計算適合改善人心情的居室環(huán)境改變方案組；

（4）處理上級指令并調(diào)用影音數(shù)據(jù)庫，輸出配置方案；

（5）執(zhí)行配置方案，投影圖像并播放背景音樂。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

圖2 系統(tǒng)總框圖

圖3 設(shè)計的基本DIB類圖

圖4 DIB處理模塊

圖5 初始化模塊

首先，參與對象處于可采集影像的區(qū)域范圍內(nèi)時，系統(tǒng)將通過影像采集技術(shù)獲取人臉圖樣并輸入下一級影像處理單元進(jìn)行人臉影像的分析，再應(yīng)用人臉表情識別技術(shù)抓取特征表情細(xì)節(jié)，分析得出這些特征值所呈現(xiàn)出的相應(yīng)表情參數(shù)Score-1（對表情呈現(xiàn)出的心情狀況給出智能的評分），以此表征一個代表人物心情狀況的參數(shù)按照預(yù)定的算法計算得出加權(quán)人臉心情參數(shù)Score-1 plus。在進(jìn)行人臉表情影像采集及分析過程的同時，系統(tǒng)也將進(jìn)行居室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的分析計算，其過程開始于系統(tǒng)通過其內(nèi)的光強(qiáng)C1、溫度C2、濕度C3和大氣壓C4等傳感器感知輸出各環(huán)境參量至下一級加權(quán)運(yùn)算組件，在這一級運(yùn)算中各參量將遵循預(yù)定的算法處理C1、C2、C3和C4數(shù)值得出加權(quán)環(huán)境心情參數(shù)Score-2 Plus。在同時得到加權(quán)人臉心情參數(shù)Score-1 plus和加權(quán)環(huán)境心情參數(shù)Score-2 Plus后，系統(tǒng)將會執(zhí)行基于環(huán)境心理學(xué)的相關(guān)選擇法則，分析計算后綜合得出適合改善人心情的居室環(huán)境改變方案組。之后將調(diào)用影音數(shù)據(jù)庫來具體化方案組的可備選的圖像和音樂，通過投影儀組件和音響系統(tǒng)等輸出設(shè)備來實(shí)現(xiàn)從視覺和聽覺多重方面對人體心情的改善：投影儀將在墻體和預(yù)設(shè)區(qū)域投影出從方案組中隨機(jī)選取的改善心情的圖像，音響系統(tǒng)將遵循方案組的隨機(jī)選擇播放有助于改善心情的北京音樂。為了避免系統(tǒng)的選擇因?yàn)閭€別對象的自身原因而產(chǎn)生對影像或音樂的不適應(yīng)性，可通過對象自選或提供更換選擇等方式來調(diào)整輸出方案。

3.系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵

3.1 人臉表情識別程序模塊

程序采用Gabor變換與Visual Studio提供的關(guān)于位圖的DIB支持來實(shí)現(xiàn)表情特征提取和表情分類算法。其中Gabor變換是短時Fourier變換中當(dāng)窗函數(shù)取為高斯函數(shù)時的一種特殊情況，本質(zhì)實(shí)際上還是對二維圖像求卷積。而由于其屬于加窗Fourier變換，Gabor函數(shù)可以在頻域不同尺度、不同方向上提取相關(guān)的特征。另外，Gabor函數(shù)與人眼的生物作用相仿，所以經(jīng)常用作紋理識別上，并可以取得較好的效果。在圖像處理方面，采用VC++（Visual Studio中包含）提供的自定義類CDib處理數(shù)字圖像，設(shè)計一個設(shè)備無關(guān)類CDib，里邊封裝了DIB位圖處理所需要的基本成員變量和成員函數(shù)。目前已完成對已有數(shù)據(jù)庫內(nèi)表情的準(zhǔn)確識別，7中種可識別表情分別是愉快、厭惡、憤怒、害怕、悲傷、震驚、中性。

可采用VS2008開發(fā)環(huán)境，MFC來實(shí)現(xiàn)界面。在運(yùn)行軟件之前先要完成模板初始化的工作，然后打開要進(jìn)行處理的圖片，即可進(jìn)行表情識別。目前能進(jìn)行識別的表情有愉快、厭惡、憤怒、害怕、悲傷、震驚、中性。系統(tǒng)總框圖如圖2所示。

(1)類圖設(shè)計

設(shè)計的基本DIB類圖如圖3。

(2)目前調(diào)試好的模塊的框圖

DIB處理模塊如圖4。

(3)初始化模塊

初始化模塊：如圖5。

3.2 音頻流解決方案

基于對系統(tǒng)要求的考慮，音頻流作為前承系統(tǒng)輸入的心情及天氣數(shù)據(jù)，中接處理分析平臺給出的解決方案，并擔(dān)當(dāng)最終執(zhí)行方案及數(shù)據(jù)流在硬件處理上的輸出終端的一路重要組成部分，是需要根據(jù)系統(tǒng)的特性和需求來特別設(shè)計制作的。出于對諸如空間外殼材料及構(gòu)造對音響系統(tǒng)箱體設(shè)計和落位的影響、PC端中心處理平臺數(shù)據(jù)交換接口的統(tǒng)一和并用、PC平臺音頻模擬通道干擾及機(jī)內(nèi)系統(tǒng)資源分配導(dǎo)致的預(yù)處理時延等因素的細(xì)致考量，可通過多方探索和深入研究，最終討論決定將并行實(shí)行兩套預(yù)定的音頻流解決方案，并在系統(tǒng)各組件協(xié)同工作的整合階段，根據(jù)中心算法的大框架下整合接口和資源的需求，擇優(yōu)選取將在后期重點(diǎn)采用的音頻流解決方案。

現(xiàn)先介紹下這兩組預(yù)定的音頻流解決方案：(注：“->”符號表示執(zhí)行信息流方向和通過各級硬件的數(shù)據(jù)流方向。)

方案一：中心算法給出心情調(diào)節(jié)方案->提取音頻方案信息->基于播放軟件FOOBAR2000載入音頻方案(軟件中已加有自行編寫的DSP組件、輸出預(yù)處理方案和音效優(yōu)化代碼)->PCI外置聲卡(或火線外置聲卡，再或者USB外置聲卡)的雙路模擬口輸出（兩組）->功放前級->功放后級->定制揚(yáng)聲器（兩路協(xié)同放音）。

方案二：中心算法給出心情調(diào)節(jié)方案->提取音頻方案信息->基于播放軟件FOOBAR2000載入音頻方案(軟件中已加有自行編寫的DSP組件、輸出預(yù)處理方案和音效優(yōu)化代碼)->作數(shù)模轉(zhuǎn)換的音頻解碼器的模擬口輸出->多路模擬聲分路預(yù)放大設(shè)備（可以在功放前級端實(shí)現(xiàn)，也可以在定制的AV分路放大模塊端實(shí)現(xiàn)）->功放后級->定制揚(yáng)聲器(兩路協(xié)同放音)。

出于對系統(tǒng)整合階段將面臨的軟硬件端都要分別統(tǒng)一接口以及PC系統(tǒng)資源分配對于數(shù)字或模擬音頻信號輸出效果的影像等情況的考慮，我給出的這兩種音頻解決方案都各自側(cè)重及偏向于各自適合的系統(tǒng)整合方案。

這兩種解決方案相較于傳統(tǒng)家庭影院中的音頻解決方案都有著幾點(diǎn)創(chuàng)新性設(shè)計和優(yōu)化性定制理念，以下將依照數(shù)據(jù)流和執(zhí)行信息流方向并分各模塊組件對創(chuàng)新性設(shè)計和優(yōu)化性定制理念進(jìn)行說明。

對于我用PC端作為音源的音頻流方案的核心創(chuàng)新思想，一言以蔽之即是：在PC端即處理AV信號的分離并在播放軟件端就預(yù)設(shè)好對于輸出信號的操作和處理，在聲音輸出端（揚(yáng)聲器組）做自適應(yīng)的校音(對揚(yáng)聲器箱體及分頻器等做定制設(shè)計)。

這樣一來，就從傳統(tǒng)PC端家庭影院方案中創(chuàng)新并獨(dú)立出音頻流，在PC內(nèi)部時鐘能做好音頻和視頻的同步和異步這一點(diǎn)不同于其他流媒體（如DVD，HDDVD和藍(lán)光DVD等影音媒體硬載）的優(yōu)勢上，能將音頻流獨(dú)立于視頻流做數(shù)字解碼和模擬放大，是對于音頻效果在音源端的極大解放，能達(dá)到更加優(yōu)秀的音效素質(zhì)。在音頻解碼器這級上，排除了機(jī)內(nèi)板載聲卡、內(nèi)置聲卡和合并功放等形式，將DAC模塊定位由外置聲卡或獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器擔(dān)當(dāng)，這樣由板載卡或內(nèi)置卡帶來的機(jī)內(nèi)干擾及屏蔽問題就不會再是問題，而且合并功放不獨(dú)立的前后級將帶給后面難以多路輸入輸出的難題也將迎刃而解。無論最終系統(tǒng)中采用何種多路放大處理方案，都將視頻流隔絕在了整個聲音處理的解碼放大過程中。當(dāng)然，原本音頻的放大設(shè)備——AV功放（將視頻流和音頻流合并式放大的裝置）也有音效和復(fù)路的特色功能，這些都將在PC端的音頻播放軟件FOOBAR2000上進(jìn)行自行編寫代碼來進(jìn)行預(yù)設(shè)音效、DSP設(shè)置和音效優(yōu)化等操作來實(shí)現(xiàn)更好的原先由AV功放實(shí)現(xiàn)并強(qiáng)調(diào)了的聲道隔離度、延遲時間范圍、各種聲場模式（DSP系統(tǒng)、家用THX系統(tǒng)，杜比AC-3系統(tǒng)）等指標(biāo)參數(shù)，并獨(dú)立于AV功放多出的會影響聲音質(zhì)量的有關(guān)視頻部分的操作和功用。

方案中有別于傳統(tǒng)PC聯(lián)袂AV功放的獨(dú)立式設(shè)計和更加融合PC端軟件層面的處理方式，將帶來如下的聲音改善。

最自然的聲音才能不會對的處理方案更加趨近于Hi-Fi，即英語High-Fidelity的縮寫——高度保真，這將盡量要求音響設(shè)備在重放過程中，對聲音信號各項(xiàng)指標(biāo)不失真地放大、處理，輔以微妙的音樂風(fēng)格理解帶來的聲音染色，實(shí)現(xiàn)對音樂重放的聽覺享受；如今主流PC端視音重現(xiàn)都AV功放（更低級別的多媒體音箱并不需要考慮，畢竟低級別的多媒體音箱并沒沿襲有源音箱高保真的特性，反而以適應(yīng)影像的混響和易用性等有悖良好聲音特性的特點(diǎn)作為設(shè)計初衷），是匯集了音頻和視頻兩種信號處理的視聽放大器，強(qiáng)調(diào)的是聲場的混響和氛圍，現(xiàn)在是家庭影院的主力放大設(shè)備。二者在技術(shù)指標(biāo)、聲場氛圍不同、放音聲道數(shù)目、輸入輸出接口類型及數(shù)目和電路設(shè)計等都存在很大差異。談及差距，AV功放對聲音的劣化又是顯而易見的。

(1)AV功放在播放大信號聲源時動態(tài)范圍不佳和瞬態(tài)拖沓，底氣不足；音頻流將使單獨(dú)解碼和放大，動態(tài)和頻響處理更從容。

AV放大器在雙聲道狀態(tài)下的輸出功率比在四聲道及以上狀態(tài)下的輸出功率大，因?yàn)楣β实闹胤峙鋵?dǎo)致電壓擺幅和電流擺幅的減小。當(dāng)重放大動態(tài)范圍的音樂時，本來音頻輸出功率就不夠足的AV功放則將明顯力不從心。這是因?yàn)锳V功放的總功率消耗大，電源功率儲量不富余，而系統(tǒng)下的功放后級將是單獨(dú)的電源和變壓設(shè)備，能足夠滿足音頻信號的放大，如果有更高要求甚至可以大三芯平衡輸入輸出，這樣處理大瞬態(tài)和大動態(tài)范圍的音樂將更加從容不迫。

(2)AV功放走線多將帶來更多的干擾和更復(fù)雜的屏蔽處理模塊；而放大模塊是單對同類型接口的輸入和輸出，不需要走線和飛線，布線的優(yōu)勢將體現(xiàn)在屏蔽方面。

AV放大器設(shè)置多種視頻、音頻端口，接入多組音頻、視頻信號源，造成信號走線多而雜，極易造成信號的相互干擾。尤其是分布電容的存在，對高音頻及其諧波的影響最大，使優(yōu)質(zhì)信號源原有的豐富高頻分量受到衰減或干擾，使聽者領(lǐng)略不到高保真的效果。

(3)傳統(tǒng)多媒體顯示的多界面也會干擾音質(zhì)。整合了視頻界面和音頻界面的傳統(tǒng)面板注重方便的多功能操作，面板上設(shè)有大型熒光顯示器，使操作直觀生動，但熒光屏用低壓交流燈絲加熱，在脈沖信號的驅(qū)動下進(jìn)行字符顯示，將對周圍輻射出許多電磁干擾，將對各放大器件的工作產(chǎn)生影響。

基于上述多個層面的考慮，開始時可分別在硬件和軟件平臺上分別設(shè)計、施行并完善相應(yīng)的模塊，已完成的分部件測試向項(xiàng)目組成員預(yù)示了這倆組音頻流方案將會達(dá)到最終預(yù)期的效果。

4.調(diào)節(jié)心情系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

未來隨著投影儀的性能提升，室內(nèi)投影影像將達(dá)到媲美真實(shí)裝飾的效果；多媒體集成一體化將實(shí)現(xiàn)影像和聲音的無縫操作，并使用更高清和高保真的影音體驗(yàn)增強(qiáng)系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)；識別和傳感技術(shù)的發(fā)展將更大化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的效能；更多關(guān)注于調(diào)整人心情的方法將加入到系統(tǒng)當(dāng)中，使系統(tǒng)的執(zhí)行效果更加優(yōu)秀。

[1]孟昭蘭.情緒心理學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2005,3.

[2]朱熊兆,羅伏生,姚樹橋等.認(rèn)知情緒調(diào)節(jié)問卷[J].中國臨床心理學(xué)雜志,2007,15(2):121-124.

[3]宗君斌.基于Gabor小波系數(shù)融合的人臉識別[D].浙江工業(yè)大學(xué),2009.