情感計算及其在人機交互設計中的應用

【摘 要】隨著科學技術的不斷進步和完善，情感計算對于人機交互設計的重要性也日益顯著，將情感計算能力與計算設備進行有機地整合能夠較好的整合人機交互，使人體的相應操作變得更智能更容易識別，讓用戶感到更為親切和易于操作。

【關鍵詞】情感計算;交互設計;情感模型;智能化

一、情感計算的歷史與現在和將來

資料記載，情感計算這一新興詞匯的產生于20世紀80年代末，耶魯大學的老教授在分析了相關參數后，開辟性地將情感計算這一全新的領域展現在了人們面前。概念一出，便引起了學術機構的各種研究。很快，隨著對情感計算的不斷深入和延伸，該概念隨后被戈爾曼演化成為新一層次的概念，也就是現在年輕人口中常說的智商和情商，并隨著戈爾曼的研究成果公布于世而在全球范圍內刮起一股情感計算風，在心理情感領域，計算機智能方向掀起了學術研究的熱潮。美國某科研機構根據戈爾曼對于情感計算方向的認知和對概念的更加深入剖析，國外某知名教授根據自己的見解和前人資料的搜集鋪墊，在1998年將自己的研究成果印刷成冊并取名為《情感測算》，希望讓情感因素和人機交互有機地結合起來，從而更好的通過機器來傳達人類的情感。

隨著新時代智能化技術的不斷進步，普適計算、人本計算、社會計算等概念不斷地進入人們的眼簾，趨于人個性化和自然化的人機交互設計成為當今各領域競相研究和兵家必爭之地。而基于人體復雜自然情感的情感計算由于其概念的新穎性也逐漸成為輿論討論和關注的焦點。我國國家自然科學基金委員會也不例外，不久前就發表了一篇名為《情感測算的理論與方法》的研究文章，在國內學術界引起不小的轟動。

情感計算從某種角度來說，是一類經典的最科學模式進行分析整合識別的過程。隨著智能手機硬件技術的不斷發展，通過各種傳感器及交互設備進行人機交互從而獲得用戶的神態、姿勢、音色音調，甚至血壓、脈搏等各類自然人類數據，并結合深處的大環境進行對數據的全面雙層次多角度的分析，最后利用一套完善的算法機制識別和幫助理解用戶當時的心情。然而，針對實際的交互環境，智能設備需要做的還沒有那么簡單，其難點在于需要針對傳感器獲得的人體信息作出及時、恰如其分、情感化的反應。情感類別之間距離的定義和計算方法是情感計算的重點所在，例如若采集到的數據是對笑的程度分類時候，“微笑、憨笑、大笑”之間的距離認知是一個難點。設備需要準確認知他們之間的距離參數，以便將其分門別類，以此幫助系統對于程度不同的笑都能進行一個有效的認知分析和識別?，F在局限在于，情感計算領域的技術性仍然停留在對數據目標進行大致的分類，即七種最基本的情感分析，而更進一步的是情感計算在今后所要走的路的放向。

當前信息化時代，我國情感測算領域的研究主要方向依舊是對人臉的分析和識別方向。選取人臉作為主流分析和識別媒介的原因在于一方面人類的臉部表情相對來說還是較為方便獲取數據的，也有相對完善的技術對其進行基礎鋪墊。當然其應用前景的重大也是情感計算選此作為主流方向的原因;另一方面，此現狀也凸顯出目前我國情感計算領域一個不可避免的難題：雖然用戶以手勢、動作、表情等作為信息傳遞的媒介來進行情感的傳遞，但目前眾多情感模式的獲取思路和分析以及針對內外部環境等上下文信息的融合問題依舊是情感計算研究中最讓學者頭疼的難題。如何真正科學化的實現具有情感反饋功能的人機交互是情感測算領域不變的目標。這需要針對以后的情感理解基礎，做出對人類情感反饋和表達的機制，并建立模型分析整合。

當前我國在上述領域已經有了重大進展，即基于以后的理論知識技能和模型建立一個虛擬化人物的認知結構，并借此生成一類新方向的以動機驅動為支點的自我情緒調控結構。中科院有發布過相關論文，文章詳細地講解了一種新概念的人臉表情合成技術，并生成一個和人臉部一樣機構特征的能做出表情的虛擬說話用戶。由此可以得出結論，對于人類情感的虛擬化研究在情感計算機構中仍然是一個新興富有生機的方向，雖然研究面臨著許多待解決的難題，若將目光拉長，此方向無疑具有廣闊的應用前景。

二、情感計算研究方向細分

憑借對情感分析的理解，我們將情感計算的主要研究方向分解成八項：信息的獲取，計算模式的認知，情感計算的端口，情感傳遞的途徑，等等。

以用戶情感的交流認知為入口，情感計算可以粗略分割成四塊：

（一）借助傳感器進行高效的人機交互從而達到用戶信息的獲取和認知。

（二）將交互信息進行模型建立分析和數字化處理。

（三）將分析結果進行處理對比學習從而達到正確的理解。

（四）將計算機所獲取和轉化的信息通過有效的方式呈現在用戶面前，從而完成人機情感交互的全過程。

通過上述步驟可以總結出，情感計算的內容可分為以下幾部分：用戶信號的提取，用戶信號的識別和轉化，機器將理解到的東西反饋給用戶。

針對用戶信號的獲取，現代科技主要通過傳感器進行設備輸入的采集，例如面部神態的獲取，手勢變換的動作，此類動作在科學上被稱作特征提取。除此以外人體的各方面指標諸如脈搏、血壓、瞳孔大小等都被機器進行情感化的記錄識別和理解。用戶信號的識別和轉化的具體工作就是對信息進行處理加工，從而達到易于算法測算的要求。情感信號的表達就是將上述理解的內容再次反饋給用戶，進行人機交互。在這四個方面的研究中情感的識別和轉化是目前的關鍵部分，也是當今情感計算的瓶頸和難點所在。

三、情感模型的描述語言

智能型計算特性大多采用普遍的分布式計算模型，這一特性直接導致其環境數據的來源廣泛，而通過系統推導所得出的情感模塊，也應通過聯網技術將其轉化到其他感興趣的板塊。所以，通過怎樣的方法建造出外顯的情感模型描述語言，并借助適當的網絡技術把用戶的個性情感完整高效地傳遞，是情感計算的重點所在。以當下的技術能力，大多數情感語言都成為虛擬用戶描述語言的一分子，下面通過集中包含情感標記的人體描述語言例子作一個進一步的闡述。

AML（Avatar Markup Language）是一種基于XML的多形式腳本語言，此腳本的可貴之處在于易于解讀，也易于接觸軟件生成。AML語言可通過算法的整合將面部表情動畫和手勢動畫并存于一個附加的同步化表達式中。以MPEG4標準為例，將面部和人體的動畫參數進行了新方向的識別。然而卻未對用戶的更深層次交互控制技巧進行進一步挖掘。當系統處于此環境時，也正是體現中介層價值觀的時候。

PAR（參數化行為表示）參數化行為表示認同這樣一個觀點：要表述一個行為，必須要先知道其行為所構成的要素。行為要素是一個行為的基礎構成，理解了行為要素的特征就能很好地表述一個行為的認知度和操作性，從而能理解行為更為本質的特征。同時也給出了行為的主要語義組成和行為的時間信息，從而既能夠憑借語義對行為分類，也為行為推理的實現提供了很大的便捷。

四、情感計算在人機交互設計中的應用

（一）交互界面設計

對情感計算的研究成果也有對人機界面的整合優化有不小的幫助，使界面更具有人性化且更加實用有效。而實現有效交流與溝通這些目標在很大程度上是由于心理學和對用戶情感的認知所決定的，對心理和智能情感研究能推動情感交互的實現。首先最重要的一點就是我們要搞清我們與周圍環境進行感知的途徑：即用戶產生情感的源頭以及目的是什么。用戶究竟會對什么樣的行為作出什么樣的反應，從而幫助計算機正確認知環境，理解人類不同情感的想法，并給出合理的反饋。由此可以看出，人機界面的關鍵在于其智能化是較高的認知思維能力和較高的情緒思維能力的結合。兼顧好這兩點便能很好地解決人機交互中對用戶情感認知的難題，使用戶的情感意圖更容易被計算機所理解接受。以語音端口為例，將語速調整為易于用戶識別的相關信號時，能很好地吸引用戶的注意力，這對用戶的閱讀和人機交互是有極為明顯的幫助的。而相對緩和的環境，語速恰如其分的更換也能很好地幫助用戶自然而然地進入計算機營造的舒緩安靜的情感狀態。

（二）人機接口設計

心理學分支上人類表達情感的方式主要分為語言、神態、肢體語言等。就目前的科學技術水平，將人類情感進行準確地辨別分類仍然不是易事。機器往往在兩個相似表達方法之中會喪失自主選擇性，分辨率大致保持在75%上下。針對這一情況，建立多重模型進行分辨率的多層次解讀是一個很值得深入研究的方向。然而，情感測算的最終目的還是為了更為有效地了解用戶對于環境做出認知和反應的意向。因此能否進行情感的辨別分類也不是最必要的流程，最主要的流程在于要根據算法的特征，檢測出使用情形的感情狀態，并將此情感狀態進行人機對接植入一比一的相應程序中，這也是目前科學界普遍采用并且值得深入探討的做法。比如可以設置一種“情感鼠標”，該鼠標能夠有效測試使用者的脈搏，想要實現這一功能，可以通過應用紅外線偵測技術。同時還能夠有效檢測使用者的體溫，這一功能可以通過熱感應芯片量取來實現，通過對使用者的皮膚流電變化進行量取，從而有效了解用戶的情緒變化。鼠標可識別六種狀態情緒，包括生氣、害怕、悲傷、厭煩、高興、驚奇等。鼠標通過對這些情緒進行有效的感測，然后將相應的信息反饋給系統，為系統做出判斷提供必要的依據。

另外，該鼠標還能夠對接觸了鼠標的使用者的心跳頻率、手部的溫度、皮膚的導電性等生理信息進行感測。同時使用者的使用行為的不同也能夠表達出不同的信息，此時鼠標就可以處理不同的信息，如鼠標的移動、點按鍵的頻率、手指的姿勢信息等，都能夠應用在智能型情感界面上，進而提出有效的表達方式，提高使用者的學習興趣。

（三）人機界面設計

情感計算能夠被有效應用到一般的人機界面的設計上，從而極大地提升其應用效果。而想要達到和諧的智能化人機界面，就需要對其溝通能力進行研究，要了解其特征，主要包括有自然溝通、主動溝通和有效溝通，而想要有效實現這些特征，就需要充分地利用心理學以及認知科學的信息，然后同計算機科學加以整合。在這種背景下，人機界面想要實現智能化，一方面需要有非常高的認知智力，一方面也應該要有非常高的情緒智力，這樣才能非常有效地解決人機交互中的情境感知問題、情感與意圖的產生與理解問題，以及反應應對問題。在設計人機交互界面時，計算機需要對需要的信息進行快速捕捉，能夠有效發覺人的情感變化，并且形成有效的預期且進行必要的調整，進而有效做出反應。在此過程中，可以有效建模，建模對象為不同類型的用戶，可以對操作方式、表情特點、態度喜好、認知風格、知識背景等內容進行建模，在此背景下能夠很好地識別用戶的情感狀態。同時在有效應用線索的前提下，選擇適合用戶要求的模型，比如可以有效建立用戶模型來提供有效的信息預期，然后可以利用有效的類型用戶呈現出相應的信息（例如呈現方式、操作方式以及與知識背景有關的決策支持等）。不僅如此，在對當前的操作做出即時反饋的同時，還需要形成新的預期，預期的對象為情感變化背后的意圖，且需要有效激活相應的數據庫，及時主動地提供用戶需要的新信息。從而有效地提升系統的智能化水平，實現人機交互。

（四）智能代理人

智能型教學代理想法的提出，有效地幫助使用者更好地與普通的計算機軟件進行學習狀況的交互，從而生成更為有效的表達模式，提升用戶的學習熱情。根據模塊細分，代理人可分為溝通者、分析者和教學者。溝通者的主要任務便是對問題的特征進行盤查、詢問、診斷和記錄。再往下細分，溝通者也能通過對代理人的詢問、診斷和記錄進行數據的獲得，由此取得與學習者交互的方式及畫面。分析者分為數據查核代理人、評價檢查代理人及學習檢查代理人，經詢問、診斷及記錄代理人取得的數據，由分析者進行分析。分析后，分別將結果儲存于學生模塊基本數據庫、學習成就數據庫及學習數據庫。

五、情感計算的延伸應用

情感計算及其相關研究對電子商務的發展也有較為明顯的推動作用。實踐表明，圖片的差異能引起人類不同的情感認知。例如：老虎、蟑螂、子彈之類的圖像較容易引起用戶的恐懼心理，而印有大量人民幣的圖片則會讓人類產生十分強烈的欲望反應。將此特征應用到電子商務的模式中，比如在大型線上購物網站上充分地考慮這些因素所帶來的人類情感認知變化，能很好地控制用戶流量，某種程度甚至能影響用戶的操作，起到一個統籌全局的作用。在現代化電器和智能設備的設計中，若也能恰如其分地加入人類情緒狀態這一因素，能幫助用戶更好地進行對設備的使用。信息檢索方面，通過對情感的概念分析，能夠有效提高信息檢索的準確度和效率。針對時下十分流行的遠程教育平臺，情感計算能很好地幫助用戶解決情感流失問題，吸引學習者的眼球，達到更好的教學效果。通過各種方式的情感交互技巧，幫助用戶構建更加貼近生活的場景和智能空間。除此之外，情感計算也可深入機械設計、智能玩具、網絡游戲等眾多領域，為更加人性的服務打下扎實的基礎。

六、總結

總的來說，情感計算還是作為一個多方向多層次的新交互領域。要進行此項目的研究就要涉及諸如物理傳感、哲學、心理學、計算機軟硬件技術、網絡傳播媒介等技術。但最終目的仍然只有一個——讓計算機能夠更加智能化的讀懂人類的情感語言，并對相應的語言做出反饋以調節人的情感方向。為了實現這一最終目的，很多尚未解決的科學難題仍是絆腳石。換個角度說，智能信息化時代的到來推動了人類對人機交互情感智能化的研究，而這也是未來研究的一個大方向大趨勢。情感作為人們心理活動的主要內容之一，仍然有很多未解之謎，人類無法認知。但唯一可以確定的便是，通過情感計算從而延伸開來的科研成果必然將對人類日后的發展產生廣泛的影響。

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【管悅，南京郵電大學傳媒與藝術學院】