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        基于面部識(shí)別的情感輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)

        2017-01-20 17:12:57何正軒
        關(guān)鍵詞:人臉識(shí)別心理學(xué)

        何正軒

        摘 要:隨著識(shí)別技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域,人臉識(shí)別技術(shù)也日漸成熟。通過(guò)人臉的面部表情特征而識(shí)別當(dāng)前人的情感狀態(tài)也已經(jīng)被心理學(xué)研究證明?;诖?,本文提出了基于面部識(shí)別的情感調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì),它利用目前的人臉識(shí)別技術(shù)將人面部某些特定部位的變化加以分析和歸類(lèi),并進(jìn)行情感的識(shí)別,進(jìn)一步通過(guò)情感匹配技術(shù)從人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)甚至觸覺(jué)等感官方面進(jìn)行有利引導(dǎo),從而對(duì)人的心理狀態(tài)起到調(diào)節(jié)、優(yōu)化的作用。

        關(guān)鍵詞:心理學(xué);人臉識(shí)別;情感匹配;感官調(diào)節(jié)

        中圖分類(lèi)號(hào):G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        0.引言

        隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和智能手機(jī)的出現(xiàn),越來(lái)越多的人習(xí)慣了一個(gè)人的娛樂(lè)方式,從而忽視了人與人之間的情感交互,進(jìn)而導(dǎo)致頻發(fā)的情感事故,據(jù)全球時(shí)報(bào)調(diào)查顯示,僅2012年1年,美國(guó)紐約就因情感糾紛以及自閉癥導(dǎo)致的死亡事件多達(dá)4萬(wàn)多人。由此可見(jiàn),人的心理承受能力目前已變得非常脆弱,因此設(shè)計(jì)一款識(shí)別并進(jìn)行心理緩釋的系統(tǒng)很有意義。

        同時(shí)近年來(lái)人臉模式識(shí)別方法有了較大的突破,提出了多種機(jī)器全自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),因此面部識(shí)別技術(shù)已能夠在實(shí)際生活中廣泛運(yùn)用,并且僅僅從面部表情中就能讀取出人們所想表達(dá)的喜、怒、哀、樂(lè)等情緒和內(nèi)在的心理活動(dòng)。以上技術(shù)為本設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的理論依據(jù)與技術(shù)支撐,具有很高的可行性。

        1.相關(guān)技術(shù)

        1.1 人臉檢測(cè)技術(shù)

        1.1.1 當(dāng)前發(fā)展情況。人臉識(shí)別是源于20世紀(jì)90年代。經(jīng)過(guò)近代高速發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)有一些機(jī)構(gòu)、高校在進(jìn)行人臉識(shí)別新領(lǐng)域、新技術(shù)的研究。比如遠(yuǎn)距離人臉識(shí)別技術(shù),3D人臉識(shí)別技術(shù)等。3D人臉識(shí)別技術(shù),即從三維角度識(shí)別人臉的特征方法,將人臉用立體圖像來(lái)表示,可以在計(jì)算機(jī)上生成3D的人臉動(dòng)畫(huà)來(lái)表達(dá)人的運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)和表情。這種動(dòng)畫(huà)的人臉可以在不同的環(huán)境下,從而應(yīng)用和發(fā)展為虛擬現(xiàn)實(shí)。三維人臉識(shí)別可以應(yīng)對(duì)各種光線(xiàn)干擾,甚至在夜晚能見(jiàn)度較差的環(huán)境下也可以識(shí)別人臉信息。3D人臉識(shí)別可以在目標(biāo)移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行識(shí)別,此外立體化識(shí)別不局限于人臉正面,適用于各個(gè)角度,面部頭發(fā)遮擋、姿態(tài)變化也可做到高準(zhǔn)確率識(shí)別。由此本設(shè)計(jì)配備3D人臉識(shí)別技術(shù),以達(dá)到精確識(shí)別的目的。

        1.1.2 人臉識(shí)別流程。系統(tǒng)的核心為人臉識(shí)別子系統(tǒng),該子系統(tǒng)由圖像采集裝置、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)與控制模塊4部分組成,首先由采集裝置檢測(cè)并采集面部數(shù)據(jù),其次交由圖像處理模塊進(jìn)行圖像的處理并匹配數(shù)據(jù)庫(kù)中的情感特征,最后根據(jù)其特征匹配結(jié)果交由控制模塊操控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其模塊內(nèi)部工作原理如圖1所示。其中預(yù)處理是將檢測(cè)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(qiáng)有用的信息,增強(qiáng)特征信息。而人臉的表征就是選擇提取人臉的特征,從而進(jìn)行情感匹配,應(yīng)用了膚色特征提取和灰度特征提取兩種方法將實(shí)現(xiàn)空間的圖像映射到機(jī)器空間。

        1.2 情感識(shí)別

        1.2.1 概述。人的面部表情一定程度展現(xiàn)了其心理的相關(guān)情感狀態(tài),我們可以通過(guò)人的表情來(lái)推斷其所處的情緒狀態(tài)。例如人們高興時(shí)的面部動(dòng)作包括:嘴角翹起,面頰上抬起皺,眼瞼收縮,眼睛尾部會(huì)形成“魚(yú)尾紋”;傷心時(shí)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(shí),嘴巴和眼睛張開(kāi),眉毛上揚(yáng),鼻孔張大。根據(jù)這些不同的特點(diǎn),通過(guò)一定的算法進(jìn)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(shè)計(jì)通過(guò)考察分析采用幾何特征法。幾何特征法是根據(jù)人的面部的各個(gè)部分的形狀和位置(包括嘴、眼睛、眉毛、鼻子)來(lái)提取特征矢量,這個(gè)特征矢量來(lái)代表人臉的幾何特征。根據(jù)這個(gè)特征矢量的不同就可以識(shí)別不同的表情。重要的方法是:基于運(yùn)動(dòng)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(guò)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(shù)據(jù)庫(kù)中的矢量進(jìn)行匹配識(shí)別,從而得到該面部識(shí)別的對(duì)應(yīng)信息。

        2.調(diào)節(jié)系統(tǒng)

        2.1 聽(tīng)覺(jué)調(diào)節(jié)模塊

        聽(tīng)覺(jué)是影響人心情變化的一個(gè)重要感官,人的喜怒哀樂(lè)等多種情緒均可以透過(guò)樂(lè)聲表達(dá)出來(lái),同時(shí)樂(lè)聲也能進(jìn)行情感影響,這在音樂(lè)心理學(xué)上具有很長(zhǎng)的研究歷史。音樂(lè)的基本要素、表現(xiàn)手段主要有:音高、音長(zhǎng)、和聲、節(jié)奏、曲式、音色、速度、力度等等。不同的特點(diǎn)能夠?qū)θ说男那槠鸱斐刹煌绊?。例如快?jié)奏的音樂(lè)給人以歡騰、熱烈、激動(dòng)或急促緊張的感覺(jué);而慢節(jié)奏的音樂(lè)一般表現(xiàn)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(lè)中會(huì)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(lè)特征的情感特點(diǎn),我們將不同的音樂(lè)進(jìn)行相應(yīng)地分類(lèi),保存在我們的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中,代表了不同情感狀態(tài)下應(yīng)給于的樂(lè)聲選擇。該模塊運(yùn)行情況下,當(dāng)控制系統(tǒng)下達(dá)指令后,通過(guò)一個(gè)控制器來(lái)令音樂(lè)播放器選擇所要播放的音樂(lè)種類(lèi),甚至控制所放音樂(lè)的頻率,波形等以達(dá)到收聽(tīng)者最適合的類(lèi)型,從而調(diào)節(jié)收聽(tīng)者的心情。

        2.2 視覺(jué)調(diào)節(jié)模塊

        視覺(jué)也是影響人們心情的一大重要因素,色彩心理學(xué)提到:色彩是對(duì)人們的一種刺激,所以透過(guò)視覺(jué)開(kāi)始,影響知覺(jué)、感情而到記憶、思想、意志、象征等,其反應(yīng)與變化是極為復(fù)雜的。不同顏色對(duì)人的影響不同,如紅色是個(gè)能量充沛的色彩,使人激情澎湃;藍(lán)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(shù)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(lái)進(jìn)行心理輔助治療,即色療。所以添加視覺(jué)調(diào)節(jié)模塊來(lái)對(duì)人的情感進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。主要方式為墻壁色彩與燈光顏色的控制變化。與聽(tīng)覺(jué)模塊類(lèi)似,接收到控制系統(tǒng)指令后,依據(jù)當(dāng)前情感匹配結(jié)果,通過(guò)色彩控制裝置調(diào)節(jié)墻壁與燈光的顏色,故要求墻壁內(nèi)用特殊感光材料,而燈具則應(yīng)使用可變化的多彩燈泡。

        2.3 空氣條件調(diào)節(jié)模塊

        除聽(tīng)覺(jué)視覺(jué)影響心情之外,觸覺(jué)與嗅覺(jué)的感官也在一定程度上造成影響。例如溫度:一般來(lái)說(shuō),當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)34℃時(shí),人不僅大汗淋漓,容易食欲不振,而且心情煩躁,易產(chǎn)生過(guò)激行為,心境低落。濕度:濕度過(guò)大時(shí),也會(huì)使人無(wú)精打采,并且心情低落,郁悶,伴隨睡意;而當(dāng)濕度過(guò)小時(shí),會(huì)使人躁動(dòng)不安,產(chǎn)生過(guò)激行為。當(dāng)人心情緊張焦慮時(shí),適度的清淡的芳香也能夠令人大腦放松,心情變好。由此設(shè)置空氣條件調(diào)節(jié)模塊,主要通過(guò)與空調(diào)、加濕器等器件的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)指令,我們可以根據(jù)當(dāng)前情感匹配情況進(jìn)行溫度、濕度的調(diào)節(jié),同時(shí)在加濕器的內(nèi)部設(shè)置芳香精油,如有需求可以自動(dòng)滴加到加濕器的水中,從而產(chǎn)生一定的芳香作用,從而輔助調(diào)節(jié)人的情感。

        3.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與功能

        系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包含人臉識(shí)別系統(tǒng)、情感匹配數(shù)據(jù)庫(kù)、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的工作流程可以描述為:外界的人臉表情3D信息通過(guò)人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行采集,隨后進(jìn)入情感匹配數(shù)據(jù)庫(kù)以得到當(dāng)前人的情感狀態(tài),同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有肢體行為檢測(cè)系統(tǒng)與紅外線(xiàn)體溫檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)輔助情感的匹配準(zhǔn)確度;匹配完畢后將當(dāng)前結(jié)果送至控制系統(tǒng),可由控制系統(tǒng)對(duì)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、空氣條件三大模塊發(fā)布指令從而進(jìn)行環(huán)境因素的調(diào)節(jié),從而達(dá)到用戶(hù)心情調(diào)節(jié)的目的。同時(shí)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前輸出的條件與實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)情感匹配的進(jìn)一步結(jié)果而調(diào)整控制系統(tǒng)的指令,進(jìn)行不斷的迭代優(yōu)化;而用戶(hù)操作系統(tǒng)可以人為的選擇啟用哪些模塊調(diào)節(jié),從而更加人性化調(diào)節(jié)。

        4.創(chuàng)新性與發(fā)展前景

        本文利用當(dāng)前諸多前沿技術(shù),并結(jié)合相關(guān)心理學(xué)理論進(jìn)行了基于面部識(shí)別的情感調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì),符合當(dāng)前市場(chǎng)需求,并進(jìn)行了詳細(xì)地說(shuō)明與分析,證明該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性與可行性,可以用于家庭自身進(jìn)行情感調(diào)節(jié),也可以用于企業(yè)進(jìn)行員工工作狀態(tài)的評(píng)測(cè)等,前景非常廣闊。

        參考文獻(xiàn)

        [1]梁路宏,艾海舟,徐光,等.人臉檢測(cè)研究綜述[N].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2002-5.

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