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面部表情分析系統(tǒng)助力城市光環(huán)境對(duì)情緒影響的多模態(tài)研究

瀏覽次數(shù)：191　發(fā)布日期：2024-12-19　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

城市光環(huán)境以及其對(duì)人的心理和生理的影響如何，是城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)以及環(huán)境心理學(xué)等諸多學(xué)科共同討論的課題，但如何科學(xué)地量化評(píng)估卻較為困難。

隨著近幾年神經(jīng)生物學(xué)及可穿戴生理傳感器技術(shù)的成熟化，對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究光環(huán)境的身心體驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。來(lái)自同濟(jì)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就基于可穿戴設(shè)備獲取生理反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合面部表情與自我報(bào)告等多模態(tài)數(shù)據(jù)，探究了在復(fù)雜的真實(shí)城市場(chǎng)景中光環(huán)境對(duì)情緒的影響^[1]。

01 城市光環(huán)境與情緒感知
城市光環(huán)境是指城市空間中對(duì)人生理與心理構(gòu)成影響的視覺(jué)環(huán)境，依據(jù)時(shí)間維度可劃分為晝間和夜間兩類(lèi)。城市景觀照明在亮度、光譜、強(qiáng)度以及變化模式上與自然光截然不同。非自然的人工照明令城市空間呈現(xiàn)了與自然光下的日間或夜間都完全不同的視覺(jué)形象，也令身處其中的人們感受不同的情緒體驗(yàn)。研究探索景觀照明是如何通過(guò)作用于視覺(jué)及心理體驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)人們的行為活動(dòng)產(chǎn)生積極或負(fù)面影響，將對(duì)商業(yè)街景觀照明設(shè)計(jì)乃至城市景觀照明的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

環(huán)境感受一直是國(guó)內(nèi)外景觀學(xué)領(lǐng)域的核心問(wèn)題。環(huán)境心理學(xué)家認(rèn)為，情緒需求的背后是人成長(zhǎng)時(shí)期的經(jīng)驗(yàn)判斷，往往存在文化、性別、生活習(xí)慣等的認(rèn)知差異。加之環(huán)境情緒感受常常多為主觀而隱晦，難以用言語(yǔ)準(zhǔn)確表述。因此，雖然環(huán)境情緒感受非常重要，但如何對(duì)情緒感受進(jìn)行量化是一直以來(lái)的難題。

城市光環(huán)境對(duì)人體視覺(jué)—情緒的影響機(jī)制復(fù)雜，可概括為兩個(gè)層面：（1）光照的本質(zhì)因素（亮度、光譜、空間分布等），以光的輻射能形式對(duì)人體視覺(jué)、生理及心理層面產(chǎn)生作用，例如明亮的燈光可以提高安全感(低喚醒的愉快)、興奮性(愉快的喚醒)和偏好；（2）以人工光為技術(shù)手段，對(duì)復(fù)雜城市景觀要素重塑后營(yíng)造的城市夜間風(fēng)貌，此夜景觀通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)映射入人腦，經(jīng)過(guò)腦部負(fù)責(zé)情緒加工的神經(jīng)系統(tǒng)處理，產(chǎn)生不同的審美感受及情緒體驗(yàn)。例如有研究對(duì)比了不同人種對(duì)香港晝間及夜間景色的認(rèn)知差異發(fā)現(xiàn)，香港受訪(fǎng)者認(rèn)為同一城市景觀中的“夜晚”比“白天”更女性化、神秘、富有想象力，而美國(guó)受訪(fǎng)者認(rèn)為“夜晚”更成功、更有魅力；此外有研究發(fā)現(xiàn)，黑暗和光照條件(如篝火、手電筒和星光)可以增強(qiáng)人對(duì)地方的審美印象。

02 光環(huán)境研究的情緒測(cè)評(píng)方法
目前，光環(huán)境研究的情緒評(píng)測(cè)方法可分為以下四個(gè)類(lèi)別:

主觀測(cè)評(píng)：采用基于語(yǔ)義差異法的量表測(cè)量，但存在主觀性偏差，難以捕捉瞬時(shí)或無(wú)意識(shí)的情緒變化等問(wèn)題；
生理測(cè)量：以神經(jīng)學(xué)測(cè)量方法，將原有的難以準(zhǔn)確量化的環(huán)境感知，經(jīng)由生理數(shù)據(jù)建立起與環(huán)境體驗(yàn)的關(guān)聯(lián)；
行為測(cè)量：包括面部表情、語(yǔ)音語(yǔ)調(diào)、肢體運(yùn)動(dòng)以及眼動(dòng)追蹤等；
情感分析法：使用自然語(yǔ)言處理、計(jì)算語(yǔ)言學(xué)和生物識(shí)別等數(shù)字技術(shù)來(lái)對(duì)文本進(jìn)行系統(tǒng)地識(shí)別，從而通過(guò)對(duì)海量網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)數(shù)據(jù)的辨析，提取并量化情感狀態(tài)。

隨著認(rèn)知神經(jīng)學(xué)以及可穿戴傳感器技術(shù)和生物信號(hào)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量人體在不同環(huán)境刺激中的情緒感受。生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以更客觀、更高精度、更減輕被試負(fù)擔(dān)、更生態(tài)有效的優(yōu)勢(shì)已成為城市景觀、環(huán)境心理學(xué)等領(lǐng)域評(píng)價(jià)研究的新熱點(diǎn)。本研究嘗試采用神經(jīng)生物學(xué)研究方法，采集城市景觀照明作為刺激源時(shí)被試的多源生理反饋數(shù)據(jù)，結(jié)合面部表情與主觀評(píng)價(jià)，以城市商業(yè)街為對(duì)象探索夜間光環(huán)境對(duì)情緒感知的影響作用。

03 基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)共招募同濟(jì)大學(xué)在讀研究生被試6名，男女各半，平均年齡為24歲。
本實(shí)驗(yàn)利用監(jiān)測(cè)設(shè)備的可穿戴性，嘗試在城市現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)時(shí)采集真實(shí)場(chǎng)景中被試的皮電(SC)、心電（ECG）和皮溫（Temp）為主的生理數(shù)據(jù)和面部表情數(shù)據(jù)來(lái)擬合在不同光環(huán)境中的情感體驗(yàn)（圖1），并用主觀問(wèn)卷法和訪(fǎng)談法對(duì)生理信號(hào)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

-圖1 頭戴式&手戴式實(shí)驗(yàn)設(shè)備-

面部表情是面部肌肉的一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作或狀態(tài)的結(jié)果，是人類(lèi)在身體外觀投射出的情緒指標(biāo)。Ekman系統(tǒng)地建立了人臉表情圖像庫(kù)，細(xì)致地描述了每一種表情所對(duì)應(yīng)的包括眉毛、眼睛、眼瞼、嘴唇等的面部變化。其中，人類(lèi)在試圖隱藏某種情感時(shí)無(wú)意識(shí)做出的、短暫的微表情，往往能表達(dá)人試圖壓抑與隱藏的真正情感，其持續(xù)時(shí)間通常僅為1/25s—1/3s。

本實(shí)驗(yàn)使用諾達(dá)思的面部表情分析系統(tǒng)（FaceReader）進(jìn)行面部表情分析。軟件通過(guò)分析面部圖像，可辨析快樂(lè)、悲傷、憤怒、驚奇、懼怕、厭惡、中性表情，以及20種微表情分析，亦可基于情緒二維理論對(duì)情緒的效價(jià)與喚醒度進(jìn)行分析。軟件可以分析實(shí)時(shí)錄制或錄制好的面部表情視頻，本研究采用實(shí)時(shí)錄制視頻待測(cè)試結(jié)束后統(tǒng)一進(jìn)行分析的方法。此外，由于夜間城市戶(hù)外的場(chǎng)景被試面部照度偏低，實(shí)驗(yàn)使用紅外攝像的方式，軟件對(duì)人臉的識(shí)別率可達(dá)到100%。

面部表情分析系統(tǒng)（FaceReader）
面部表情分析系統(tǒng)是用于自動(dòng)分析面部表情的可靠的專(zhuān)業(yè)軟件，可以識(shí)別六個(gè)基本情緒：快樂(lè)，悲傷，憤怒，驚訝，害怕和惡心，也可以識(shí)別“中立”狀態(tài)并識(shí)別“蔑視”表情。除此之外，系統(tǒng)還可以提供情感態(tài)度分析（感興趣，困惑和無(wú)聊等），心率，視線(xiàn)方向，效價(jià)和喚醒度，個(gè)人特征（如性別，年齡）等數(shù)據(jù)。無(wú)論您的測(cè)試參與者是嬰兒，兒童，成人還是老年人，面部表情分析系統(tǒng)都會(huì)根據(jù)您的需要，調(diào)整至適合的分析模型。

實(shí)驗(yàn)位點(diǎn)選取上海南京東路步行街東拓段外灘起始區(qū)域的道路中央。被試的主要視線(xiàn)方向內(nèi)包括了多個(gè)歷史保護(hù)建筑及當(dāng)代商業(yè)建筑，并由建筑形成較為連續(xù)的空間限定。視野內(nèi)街道元素較明確，夜晚光環(huán)境主要由建筑立面照明、路中心的步道燈以及店面逸散光和店招發(fā)光面構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景包括日間與夜間共計(jì)四個(gè)場(chǎng)景。日間實(shí)驗(yàn)在全陰天自然光下的城市環(huán)境中進(jìn)行；夜間實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)場(chǎng)景，即保持照明環(huán)境中的其他景觀照明元素如路面、店鋪照明不變，僅改變被試視野范圍內(nèi)棟主要建筑立面的照明狀況，分別為全黑模式、點(diǎn)亮模式和閃爍模式，其中閃爍模式為點(diǎn)亮模式持續(xù)、全黑模式持續(xù)的交替循環(huán)播放。

實(shí)驗(yàn)程序主要包括（圖2）：（1）準(zhǔn)備階段；（2）實(shí)驗(yàn)階段：被試身體保持靜止，視線(xiàn)可以旋轉(zhuǎn)，對(duì)整體空間進(jìn)行觀察與感受，之后聽(tīng)從開(kāi)始指令依次經(jīng)歷照明場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景持續(xù)70s，放映同時(shí)對(duì)被試的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行記錄；（3）問(wèn)卷訪(fǎng)談階段。

-圖2 實(shí)驗(yàn)流程-

04 日間與夜間光環(huán)境下的情緒差異
（一）面部表情數(shù)據(jù)結(jié)果
將視頻片段依據(jù)場(chǎng)景模式裁剪后導(dǎo)入面部表情分析系統(tǒng)（FaceReader）中進(jìn)行情緒識(shí)別分析。結(jié)果顯示（圖3），愉快表情強(qiáng)度在日間顯著高于夜間點(diǎn)亮及閃爍模式；驚奇表情強(qiáng)度在日間顯著低于夜間三場(chǎng)景；懼怕表情強(qiáng)度日間的表情強(qiáng)度顯著高于夜間三場(chǎng)景；厭惡表情強(qiáng)度在日間顯著高于全黑和點(diǎn)亮模式。

-圖3 不同場(chǎng)景下的愉悅、驚奇、懼怕、厭惡表情強(qiáng)度-

對(duì)情緒效價(jià)和喚醒的分析結(jié)果顯示（圖4），被試的效價(jià)值在點(diǎn)亮模式下顯著低于全黑模式，日間較夜間三個(gè)場(chǎng)景的效價(jià)值更低；而喚醒度在各場(chǎng)景下均無(wú)顯著性差異。

-圖4 不同場(chǎng)景下的情緒效價(jià)值、喚醒度值-

（二）生理反饋數(shù)據(jù)結(jié)果
皮電和皮溫通常認(rèn)為與情緒喚醒有關(guān)。刺激源使人越激動(dòng)，人汗液分泌越多，皮膚電的水平變化越大，皮電水平與喚醒值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。本研究中，皮電結(jié)果表明日間場(chǎng)景的喚醒度最高，并反映出了刺激值差異相對(duì)較低的三個(gè)夜間場(chǎng)景間的區(qū)別，即閃爍模式、點(diǎn)亮模式、全黑模式的喚醒度依次降低。

心電數(shù)據(jù)的LF/HF值與人的交感神經(jīng)興奮相關(guān)，LF/HF值越大，喚醒度提升。本次實(shí)驗(yàn)的LF/HF及HF值均未能有效反映喚醒度差異，心率及心率變異性在各場(chǎng)景下也均未呈現(xiàn)出顯著變化趨勢(shì)。

（三）主觀評(píng)價(jià)結(jié)果
采用分層聚類(lèi)法分析，結(jié)果表明在正面情緒方面，被試評(píng)分從高至低依次為閃爍模式和點(diǎn)亮模式、日間場(chǎng)景和全黑模式，且被試在點(diǎn)亮及閃爍模式中的正面情緒得分顯著高于全黑模式；在負(fù)面情緒方面，被試評(píng)分最高的是全黑模式、其次為閃爍模式和點(diǎn)亮模式，最低的是日間場(chǎng)景。

總體來(lái)看，被試的皮電、皮溫、面部表情信號(hào)以及主觀量表結(jié)果均呈現(xiàn)出日間與夜間光環(huán)境下的顯著差異。基于可穿戴傳感器的情緒體驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，將有助于更好地測(cè)量及理解城市夜空間的環(huán)境體驗(yàn)，為未來(lái)城市景觀照明設(shè)計(jì)提供更有效的理論指導(dǎo)。

05 光環(huán)境測(cè)評(píng)中多模態(tài)方法的優(yōu)勢(shì)
近年來(lái)我國(guó)城市夜景建設(shè)呈現(xiàn)數(shù)量激增的態(tài)勢(shì)。從情緒感知角度對(duì)城市夜景觀進(jìn)行評(píng)測(cè)，可以避免因?qū)徝乐饔^性而導(dǎo)致美學(xué)評(píng)價(jià)的不確定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用可穿戴設(shè)備進(jìn)行生理反饋采集，并結(jié)合面部表情與主觀問(wèn)卷的多模態(tài)研究，在城市光環(huán)境研究領(lǐng)域亦具有一定的可行性。該評(píng)測(cè)方法可以應(yīng)于與對(duì)建成環(huán)境的后評(píng)估，有利于城市夜景建設(shè)的有序發(fā)展。

后續(xù)研究可以以本研究為基礎(chǔ)，增大被試的數(shù)量，提高數(shù)據(jù)采樣的精度；抑或引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，替代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，能夠有效規(guī)避戶(hù)外實(shí)驗(yàn)中環(huán)境因素控制及場(chǎng)景多樣化設(shè)計(jì)的局限，為城市步行空間光環(huán)境設(shè)計(jì)策略帶來(lái)更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)
[1]林怡,曾憲憲,陳神飛,肖曉溪,楊秀 & 杜怡婷.(2022).基于多源生理反饋的城市景觀照明對(duì)情緒影響的實(shí)驗(yàn)探索——以上海南京東路步行街東段為例.照明工程學(xué)報(bào)(05),129-143.

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