基于面部识别的情感辅助调节系统

何正轩

摘 要：随着识别技术被广泛地应用到各个领域，人脸识别技术也日渐成熟。通过人脸的面部表情特征而识别当前人的情感状态也已经被心理学研究证明。基于此，本文提出了基于面部识别的情感调节系统设计，它利用目前的人脸识别技术将人面部某些特定部位的变化加以分析和归类，并进行情感的识别，进一步通过情感匹配技术从人的视觉、听觉、嗅觉甚至触觉等感官方面进行有利引导，从而对人的心理状态起到调节、优化的作用。

关键词：心理学；人脸识别；情感匹配；感官调节

中图分类号：G434 文献标识码：A

0.引言

随着科学技术的进步和智能手机的出现，越来越多的人习惯了一个人的娱乐方式，从而忽视了人与人之间的情感交互，进而导致频发的情感事故，据全球时报调查显示，仅2012年1年，美国纽约就因情感纠纷以及自闭症导致的死亡事件多达4万多人。由此可见，人的心理承受能力目前已变得非常脆弱，因此设计一款识别并进行心理缓释的系统很有意义。

同时近年来人脸模式识别方法有了较大的突破，提出了多种机器全自动识别系统，因此面部识别技术已能够在实际生活中广泛运用，并且仅仅从面部表情中就能读取出人们所想表达的喜、怒、哀、乐等情绪和内在的心理活动。以上技术为本设计提供了强大的理论依据与技术支撑，具有很高的可行性。

1.相关技术

1.1 人脸检测技术

1.1.1 当前发展情况。人脸识别是源于20世纪90年代。经过近代高速发展，现在已经有一些机构、高校在进行人脸识别新领域、新技术的研究。比如远距离人脸识别技术，3D人脸识别技术等。3D人脸识别技术，即从三维角度识别人脸的特征方法，将人脸用立体图像来表示，可以在计算机上生成3D的人脸动画来表达人的运动、姿态和表情。这种动画的人脸可以在不同的环境下，从而应用和发展为虚拟现实。三维人脸识别可以应对各种光线干扰，甚至在夜晚能见度较差的环境下也可以识别人脸信息。3D人脸识别可以在目标移动过程中进行识别，此外立体化识别不局限于人脸正面，适用于各个角度，面部头发遮挡、姿态变化也可做到高准确率识别。由此本设计配备3D人脸识别技术，以达到精确识别的目的。

1.1.2 人脸识别流程。系统的核心为人脸识别子系统，该子系统由图像采集装置、图像处理模块、数据库与控制模块4部分组成，首先由采集装置检测并采集面部数据，其次交由图像处理模块进行图像的处理并匹配数据库中的情感特征，最后根据其特征匹配结果交由控制模块操控系统进行调节。其模块内部工作原理如图1所示。其中预处理是将检测到的人脸图像的大小归一化和人脸图像的矫正和灰度均衡化等，目的是去除图像中的噪声，加强有用的信息，增强特征信息。而人脸的表征就是选择提取人脸的特征，从而进行情感匹配，应用了肤色特征提取和灰度特征提取两种方法将实现空间的图像映射到机器空间。

1.2 情感识别

1.2.1 概述。人的面部表情一定程度展现了其心理的相关情感状态，我们可以通过人的表情来推断其所处的情绪状态。例如人们高兴时的面部动作包括：嘴角翘起，面颊上抬起皱，眼睑收缩，眼睛尾部会形成“鱼尾纹”；伤心时面部特征包括眯眼，眉毛收紧，嘴角下拉，下巴抬起或收紧；害怕时，嘴巴和眼睛张开，眉毛上扬，鼻孔张大。根据这些不同的特点，通过一定的算法进行表情与情感的匹配。

1.2.2 几何特征法。情感匹配有多种方法，本设计通过考察分析采用几何特征法。几何特征法是根据人的面部的各个部分的形状和位置（包括嘴、眼睛、眉毛、鼻子）来提取特征矢量，这个特征矢量来代表人脸的几何特征。根据这个特征矢量的不同就可以识别不同的表情。重要的方法是：基于运动单元（AU）的主分量分析法。在容貌特征法中，主要是将整体人脸或者是局部人脸通过图像的滤波，以得到特征矢量。得到该面部的特征矢量后，与数据库中的矢量进行匹配识别，从而得到该面部识别的对应信息。

2.调节系统

2.1 听觉调节模块

听觉是影响人心情变化的一个重要感官，人的喜怒哀乐等多种情绪均可以透过乐声表达出来，同时乐声也能进行情感影响，这在音乐心理学上具有很长的研究历史。音乐的基本要素、表现手段主要有：音高、音长、和声、节奏、曲式、音色、速度、力度等等。不同的特点能够对人的心情起伏造成不同影响。例如快节奏的音乐给人以欢腾、热烈、激动或急促紧张的感觉；而慢节奏的音乐一般表现舒缓、沉闷或是深层的意境；共振适中（不多不少）的和声在音乐中会使人有张力和色彩感；共振少的则有冲突感、不安全感。利用这些音乐特征的情感特点，我们将不同的音乐进行相应地分类，保存在我们的系统数据库中，代表了不同情感状态下应给于的乐声选择。该模块运行情况下，当控制系统下达指令后，通过一个控制器来令音乐播放器选择所要播放的音乐种类，甚至控制所放音乐的频率，波形等以达到收听者最适合的类型，从而调节收听者的心情。

2.2 视觉调节模块

视觉也是影响人们心情的一大重要因素，色彩心理学提到：色彩是对人们的一种刺激，所以透过视觉开始，影响知觉、感情而到记忆、思想、意志、象征等，其反应与变化是极为复杂的。不同颜色对人的影响不同，如红色是个能量充沛的色彩，使人激情澎湃；蓝色使人心得以平静，可以让人们身心放松。而康定斯基在《论艺术的精神》中也提到：色彩直接影响着精神。我们的目的就是巧妙使用颜色来进行心理辅助治疗，即色疗。所以添加视觉调节模块来对人的情感进行进一步调节。主要方式为墙壁色彩与灯光颜色的控制变化。与听觉模块类似，接收到控制系统指令后，依据当前情感匹配结果，通过色彩控制装置调节墙壁与灯光的颜色，故要求墙壁内用特殊感光材料，而灯具则应使用可变化的多彩灯泡。

2.3 空气条件调节模块

除听觉视觉影响心情之外，触觉与嗅觉的感官也在一定程度上造成影响。例如温度：一般来说，当环境温度超过34℃时，人不仅大汗淋漓，容易食欲不振，而且心情烦躁，易产生过激行为，心境低落。湿度：湿度过大时，也会使人无精打采，并且心情低落，郁闷，伴随睡意；而当湿度过小时，会使人躁动不安，产生过激行为。当人心情紧张焦虑时，适度的清淡的芳香也能够令人大脑放松，心情变好。由此设置空气条件调节模块，主要通过与空调、加湿器等器件的联动进行。当控制系统发来指令，我们可以根据当前情感匹配情况进行温度、湿度的调节，同时在加湿器的内部设置芳香精油，如有需求可以自动滴加到加湿器的水中，从而产生一定的芳香作用，从而辅助调节人的情感。

3.系统整体结构与功能

系统的整体结构如图2所示，主要包含人脸识别系统、情感匹配数据库、控制系统等结构。系统的工作流程可以描述为：外界的人脸表情3D信息通过人脸识别系统进行采集，随后进入情感匹配数据库以得到当前人的情感状态，同时系统内设有肢体行为检测系统与红外线体温检测系统来辅助情感的匹配准确度；匹配完毕后将当前结果送至控制系统，可由控制系统对听觉、视觉、空气条件三大模块发布指令从而进行环境因素的调节，从而达到用户心情调节的目的。同时反馈调节系统可以根据当前输出的条件与实时监控用户情感匹配的进一步结果而调整控制系统的指令，进行不断的迭代优化；而用户操作系统可以人为的选择启用哪些模块调节，从而更加人性化调节。

4.创新性与发展前景

本文利用当前诸多前沿技术，并结合相关心理学理论进行了基于面部识别的情感调节系统设计，符合当前市场需求，并进行了详细地说明与分析，证明该系统具有良好的实用性与可行性，可以用于家庭自身进行情感调节，也可以用于企业进行员工工作状态的评测等，前景非常广阔。

参考文献

[1]梁路宏，艾海舟，徐光，等.人脸检测研究综述[N].计算机学报，2002-5.