让人机交互更和谐

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给计算机在逻辑技能的基础上加上理智和平衡，从而建立一种更为和谐的人机环境，这是情感计算研究的主要目的。

情感能力是人类智能的重要标志，情感在人与人的交互中必不可少。那么，作为逻辑计算典范的计算机可以有情感吗？情感可以计算吗？近十年来，计算机科学迅猛发展，并与心理学、神经科学、生命科学等一起扩展了经典的逻辑计算，共同开展了情感计算的研究，取得了很大的进展。

情感计算的起源

早在1985年，人工智能的奠基人之一Minsky就提出了计算机与情感的问题，但“情感计算”一词真正提出源于美国麻省理工学院的Picard在1997年出版的《情感计算》，Picard在该书中把“情感计算”定义为“与情感有关、由情感引发或者能够影响情感的因素的计算”。 今天，人们进行情感计算研究的目的是让计算机具有感知、理解、模仿人类情感特征的能力，以提高人机交互的效率和质量。具体包括情感信息获取、情感表达、参数化建模、识别和理解、生成和模拟，最终目标是让计算机在逻辑技能的基础上加上理智和平衡，从而建立一种更为和谐的人机环境。

情感计算一提出，就受到了学术界和企业界的广泛关注。麻省理工学院情感计算研究小组较早开展了多方面的研究，例如开发可穿戴设备，识别真实情境中的人类情感，研究人机交互中的情感反馈机制，研制能够用肢体语言表达情感的机器人。瑞士政府成立了情感科学中心，让心理学、神经科学、哲学、历史学、经济、社会、法律等多学科合作开展情感计算的研究与应用。日本文部省曾支持“情感信息的信息学、心理学研究”重点基金项目。日内瓦大学成立了情绪研究实验室，布鲁塞尔大学则建立了情绪机器人研究小组。英国伯明翰大学开展了“认知与情感的研究”，A. Sloman教授提出了情感的三层体系结构。欧盟也把情感计算列入研究计划。IBM公司实施的“蓝眼计划”，可以使计算机“未卜先知”。例如，当你看地图时，计算机可以找到你感兴趣的地点，并主动介绍其风土人情。英国电信应用情感计算技术改进呼叫中心，使其更加人性化。遇到特别无礼的用户时，具有情感意识的语音识别系统会提醒话务员保持冷静。处理完这类电话后，系统会安慰和鼓励话务员，帮助他们调节情绪。

在国家重点基金的支持下，我国的清华大学与中科院心理所的研究人员成立了情感计算研究组。3年来，课题组对情感计算的关键技术进行了探讨，引入并修订了PAD情感状态模型，使复杂情感可计算了。此外，还收集了大规模的多模态情感数据库，数据库中包括视频、语音和生理数据，研究了认知与情绪的交互作用，抽取了视频、脸像、行为和语音中的情感信息，实现了情感识别和合成等。以此为基础，在情绪识别、情绪表达、情绪产生和反馈的机制等方面都进行了深入的研究。上述研究成果中的一部分正逐步走向应用，过去只存在于科幻小说和电影中具有情感的计算机，正在逐步变成现实。

情感计算改善人机交互的和谐性

人在与计算机交互的过程中，需要机器能理解自己的需要和感受，带有某种情感地进行交流。因为缺乏情感的交流，将传递不完整的信息，这就严重影响人机交互的效果和效率。因此计算机需要掌握人类情感世界的钥匙，才能主动地、智能地为人类服务。而且，神经科学和心理学的研究者早已发现情感在感知、决策、创造性等思维活动中的作用。

对照人类的决策过程，人们发现人脑在记忆力、计算速度等方面远逊色于计算机，却能在短时间内做出最佳决策，这在很大程度上得益于人类情感的参与。计算机如能具有情感，无疑将大大提高其决策速度和效率。有了情感的指引，决策过程将具有更加明确的目的性和方向性，而不是在庞大的求解空间中盲目地尝试。同时，情感计算机将具有更大的自主性，在遇到突发事件时，能自动地调整算法或行为，从而主动地、创造性地完成任务。

通过情感记忆库，计算机还将能够及时总结经验教训，逐步具备自主学习的能力。情感计算的研究无疑将为人工智能的发展提供一条新的途径。此外，情感计算的研究对于理解人类的情绪乃至人类的思维都有着重要的价值。通过情感信号采集设备精确记录的数据，可以深入分析人类的情感体验。利用计算机程序模拟人工生命的情感进化过程，可以帮助我们了解人类情感的起源。

情感计算技术还可以广泛地应用于教育、娱乐、艺术等领域。在电子游戏领域，通过可穿戴设备和游戏手柄等外设，游戏软件可以感知游戏者的情感状态。这些信息可以帮助设计者了解游戏者的偏好。同时，游戏者的化身可以通过一些动作来表现这种情感变化，使游戏更逼真。例如，游戏者吃惊时，化身会猛然向后跳去。游戏者感到恐惧时，化身会发抖。人们往往很难明确说出自己的喜好，但在看到自己心仪的设计时，情感会准确无误地告诉我们“这就是我想要的”。如果计算机能够在人们浏览设计方案时，记录其情感反应，自动分析用户的偏好。

今天，情感计算的研究已在很多方面取得了进展，尤其是在改善人机交互的和谐性上得到了用户的认可。美国麻省理工学院的类人机器人小组（humanoid robotics group）研制的机器人Kismet能够以眼睛、嘴唇、耳朵的动作表现快乐、悲伤、厌倦等情绪。麻省理工的情感计算小组还研究了情感支持对用户的影响。实验结果表明，在用户产生挫败感时，计算机如能给予情感支持（例如主动倾听、对用户的遭遇表示同情甚至歉意），将降低用户的挫败感。以此为基础，麻省理工情感计算小组设计了一个情感对话系统: 虚拟人“Laura” 可以通过文字界面与用户交流锻炼身体的心得。锻炼者完成目标时，Laura会赞扬他; 若锻炼者未完成目标，Laura则会鼓励他。经过一段时间的“相处”后，大多数用户都更主动地锻炼并愿意与Laura继续交流，甚至有人认为Laura非常有魅力。

尽管面临着很多困难，但不可否认情感计算的进步为我们展现了无限的前景。在可预见的未来，情感计算在医疗、娱乐、教育、艺术等领域将得到更广泛的应用。情感计算出现的背后是人们对美好生活的向往。它的实现将改变人类的生活，同时丰富人类对自然的认知，推进人类对科学的探索。

也许今天我们在科幻电影上看到的情节――一个具有人类情感的机器人，在不远的未来会成为现实。科学的进步永远令人惊奇，让我们拭目以待。

要实现情感计算，形成一个完整的情感交流过程，涉及到一系列理论和技术，如情感机理和描述、情感信息的获取和量化、情感的识别和理解、情感的合成与表达，其核心技术主要包括情感信号的获取、情感状态的识别、情感理解和反馈以及情感表达。

情感信号的获取指的是通过各种设备记录情感信号。情感信号包括语音、面部表情、手势、站姿等体态语以及脉搏、皮肤电等生理指标。随着可穿戴技术的发展，出现了一些能够测量生理信号的可穿戴设备，例如能够测量脉搏的手镯和测量心率的胸针、项链等，以及集成在鼠标上的生理信号测量设备，例如，IBM研制的情感鼠标可以测量脉搏、体温、皮肤电反应等生理指标。这些设备的出现使情感信号获取设备与用户形影不离或直接融入人机交互界面中，大大方便了情感信号的获取。值得注意的是，由于情感是一个多成分的复合过程，包括内在体验、外显表情和生理激活这三种成份，采集情感信号时往往要动用多种设备，同步记录各通道上情感信号的变化。

情感状态的识别是指对采集的情感信号进行分析，识别出人内在的情绪。由于情感状态是一个反映内在体验且隐藏在多种类别的情感信号中的量，因此情感状态与情感信号之间是一个复杂的多对多的映射。在早期的研究中，往往采用演员表演的情感片段作为实验数据，而非真实的情感体验。随着研究的深入，目前研究者的重点已经转移到识别真实的情感。无论是在生活中捕捉人们的真情流露，还是在精心设计的实验中激发各种情绪体验，研究者都在努力提高情感数据的自然度。目前，计算机不仅可以识别情感的类别，还可以计算情感的强度。不仅可以识别静态图像中的表情，还可以分析连续视频中的情感变化。

多模态信息融合的技术使计算机可以同步分析视频、音频、生理指标等多种信息，大大提高了识别的准确率。例如，美国麻省理工情感计算研究小组综合利用面部表情、坐姿、游戏难度等三个模态的信息，识别游戏者的情感，与只用面部表情识别相比，识别率有相当大的提高。当然，情绪识别也面临一些挑战。首先，情感的变化受到环境的影响。如何在情感识别中加入环境的因素，都是值得研究的问题。其次，情感表现因人而异，在情感识别中如何处理个性和共性的矛盾，也是研究者非常关注的问题。

情感理解和情感反馈是指计算机能够分析人的情感产生的原因，并对此做出合理、恰当的情感反应。例如，当用户表现出厌倦的情绪时，计算机会主动提供更加新鲜有趣的内容。当用户表现出困惑的情绪时，计算机会及时地鼓励用户并提供有价值的建议。情感理解和情感反馈是情感计算的核心，具有了这样的能力，计算机才能真正给人以情感的支持。目前，在有限的几种情境中，计算机被赋予了情感理解和情感反馈的能力。这些系统中，计算机的情感反馈是由设计者预先设定的，计算机根据用户的反应搜索最合适的反馈方式。这些系统既无法产生新的情感，也无法处理系统中未定义的突发状况。随着人类对自身情感产生和反馈机制的研究不断深入，计算机的情感理解和情感反馈机制将不断完善。

情感表达是指通过计算机交互设备向用户表达情感。拟人化的情感表达是目前的主流，例如还可通过语音、动画等方式表达情感。此外，借助音乐、色彩等计算机也可以传递情感信息。随着情感计算研究的深入，情感表达在广度和深度上都有了巨大的进步。现在，计算机可以综合运用面部表情、肢体语言、语音等模态表达快乐、愤怒、悲伤等情感，甚至能够在一定的情境下表达出同情、困惑等细微情感。在面部图像合成领域，计算机已经能够合成出混合表情的面部图像。计算机合成的语音也不再机械单调，能够体现出快乐、愤怒、悲伤等不同情感基调。为表达情感而设计的机器人手势也出现了。情感表达综合了人脸表情合成、语音合成、手势合成等领域的研究成果，集中展示了情感计算机的魅力，表情、语音、体态语等外在表现在情感这一新的层次上达到了和谐的统一。（文/蔡莲红、张迎辉）