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摘要 普适计算作为一种新型计算模式,突破传统的桌面计算,是一种适合情感交流和表达的计算模式。它弥补了远程教育中由于时空分离导致师生之间情感交流困难的缺陷。首先分析远程教育中情感的缺失,然后以情感计算为技术基础,具体分析智能教室里面师生之间的情感交互,最后提出简化的人机情感交互模型,从而促进远程教育情感交互的发展。
关键词 情感计算;远程教育;智能空间
中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2010)24-0007-04
Research on Distance Education based on Affective Computing in Ubiquitous Environment//Zhang Yanle, Wu Jiawei
Abstract As a new computing model, Ubiquitous Computing, which breaks the traditional desktop computing, is suitable for the expression of emotional communication and computing model. It is made up for the defects which are emotional communication difficulties between teachers and students, caused by space and time separation in distance education. This paper firstly analyzes the absence of emotion in distance education, and then detailed analysis of the emotional communication between teachers and students in the smart classroom based on affective computing and finally presented a simplified human-computer emotional interaction model, thereby promoting the development of emotion interactive in distance education.
Key words affective computing; long-distance education; smart space
Author’s address College of Computer, South China Normal University, Guangzhou, China 510631
随着科学技术的发展,人们需要一种与信息空间发展相容的计算模式来满足对信息获取及处理的需求。一种新的计算模式诞生了,它就是普适计算(Ubiquitous Computing)。它强调把计算嵌入到环境和日常工具中,让计算机本身从人们的视线中消失[1],实现信息空间与物理世界的融合。在这个融合的空间中人们可以随时随地透明地获得数字化服务[2]。基于这种理念的普适计算对远程教育有着巨大的促进作用。本文结合智能教室对基于情感计算的远程教学做深入研究,以解决远程教学中情感交互匮乏的问题。
1 普适计算概述
1.1 普适计算的定义
普适计算的概念最早由施乐公司PALOATO研究中心的首席技术官Mark Weiser提出。他在1991年提出:21世纪的计算将是一种无所不在的计算模式,它是一种能包含各种设备的计算模式,其重点在于提供面向客户的统一的、自适应的网络服务。在普适计算环境下,人们可以“随时随地”并透明地获得数字化服务[1],而不用端坐在计算机面前,从某种意义上来讲,计算机好像隐身了。
关于普适计算的定义,不同的人有不同的观点。2002年清华大学徐光裕教授认为:“普适计算是信息空间和物理空间的融合,在这个融合的空间中人们可以随时随地透明地获得数字化服务。”板村建认为,“普适计算技术是让计算机通过认识周围的环境和状况进行判断和反应”[3],其目标都是“要建立一个充满计算和通信能力的环境,同时使这个环境与人们逐渐融合在一起”[4]。
1.2 普适计算的特征
普适计算具有普适性、移动性、消失、透明性和自适应性。
1)透明性。普适计算无所不在,计算设备作为一种工具,人们在使用时不用关心如何去使用它,把它视为不可见,获得这种服务时不需要花费很多注意力,即这种服务的访问方式是十分自然的,甚至是用户本身注意不到的。
2)自适应性。强调如何有效感知物理空间、信息空间及设备位置和人的行为变化,以便系统动态调整自身的行为。
3)消失(disappearing)。Mark Weiser有一个著名论述:“最深奥的技术是那些消失了的技术,这些技术将它们自身交织于日常生活中,直至不可区分。”比如,日常生活中的电虽然对生活有巨大的影响,但是犹如消失在人们的日常生活中。普适计算也将是那样一种消失的计算。
5个特征中,普适性、移动性也是普适计算的基本特征,这里不一一介绍。
2 情感计算和人机情感交互
情感,是人类心理活动的重要组成部分,是人对客观事物是否符合个人需要而产生的主观体验。一般认为,情感是琢磨不定、不可能计算的,因此,以往对情感的研究均局限于心理学范畴。事实上,对于人的情感,在某种程度上是可以进行定性和定量分析的。
2.1 情感计算
让计算机具有情感,实质上就是让计算机在与人类的交互过程中具有智能的和敏感的能力。这个观点并不新鲜,早在1985年,由Marvin Minsky教授首先提出来。他指出问题不在于机器能否有任何情感,而在于机器实现智能时怎么能够有情感[5]。然而,要赋予计算机或机器人以人类式的情感,使其能够感知和表达情感,达到人与自然、人与机器的和谐,在学术界罕有人关注。这种情况直到1997年美国麻省理工学院媒体实验室Picard教授的专著Affective Computing(情感计算)[6]问世才宣告结束。Picard提出“情感计算”并将之界定为“关于情感、情感产生以及影响情感方面的计算”。
概括来讲,情感计算的目的就是通过赋予计算机识别、理解、表达和适应人的情感的能力来建立和谐的人机环境,并使计算机具有更高的、全面的智能。情感计算的过程可用图1表示[7] 。
在情感计算的过程中,所涉及关键技术包括人类生理、心理及行为特征的情感状态分析,人类情感信息信号采集传感器的研究,人类情感的识别技术等。其中,人类情感的识别又包括人面部表情、姿态表情、语调表情识别等技术。
2.2 人机情感交互
人的情感交流是一个十分复杂的过程,不受时间、地点、环境等的影响,每种情感都具有独特的主观体验,同时也会伴随着某种外部表情。例如:愉快时额眉平展、面颊上提、嘴角上翘的面部表情;狂喜时捧腹大笑、悔恨时捶胸顿足的姿态表情;愤怒时声调升高、语速加快,悲伤时语调低沉、语速缓慢的语调表情;等等。
要想准确评价情感的这些主观体验,必须首先确定情感的维度。ACCenter(情感计算中心)引入PAD三维情感模型[8],该模型认为情感具有愉悦度、激活度和优势度3个维度,其中P代表愉悦度(Pleasure-displeasure),表示个体情感状态的正负特性;A代表激活度(Arousal-nonarousal),表示个体的神经生理激活水平;D代表优势度(Dominance-submissiveness),表示个体对情景和他人的控制状态。可以通过这3个维度的值来代表具体的情感。ACCenter基于PAD三维情感模型和对简化版PAD情感量表进行中国化修订,构建出中国人的三维情感空间模型,搭建情感与计算之间的桥梁。
ACCenter设法利用PAD模型[9],将计算机无法直接理解的文本语义转化为可以刻画度量的情感三维空间,再将文本情感的PAD量化结果与情感信息数据库进行对比建模,建立PAD三维情感数据和相关参数之间的关联模型。基于此原理,人机情感交互的模型可用图2来表示[10]。
真正的原型系统是在一个3.1 m×7.6 m用窗帘隔开的房间里面,如图4所示。从外观上看,智能教室内有2个主要设施分别称为媒体板(Media Board)和学生板(Student Board)。Media Board是由一个投影机把影像投影在一个放在教室前部的Smart Board设备上形成的。Media Board充当传统教室中的黑板。Student Board则是投影在教室侧墙上的另一个显示屏幕,是远程学生现场的一个窗口。每个出席课程的远程学生都会有一幅静态的头像显示在上面,同时如果一个远程学生获得发言权后,他的运动图像和声音也可以在这儿播放。此外,教室里面还配备多个摄像头,教师也佩戴有无线麦克风和多功能交互笔(UPen)。
5 总结和展望
普适计算运用于远程教育中,对情感的交互和情感表达具有很大的优势,使远程教育模式和手段更具有人的情感色彩。然而,作为情感交互技术基础的情感计算目前仍面临诸多挑战,例如情感信息的获取与建模、情感识别与理解、情感表达以及自然和谐的人性化和智能化的人机交互的实现等问题。普适环境下的远程教育情感交互是一个值得长期研究的课题,相信在未来社会,将会有大量的操作容易、运作良好的具有情感特征的计算机面世。
参考文献
[1]Weiser M.The computer for the twenty-first century[J].Scientific American,1991,265(3):94-104
[2]徐光裕,史元春,谢伟凯.普适计算[J].计算机学报,2003(9):19-27
[3]饶云波,张应辉,周明天.基于普适计算研究及其应用[J].微型计算机应用,2006(5)
[4]赵海.普适计算:计算混沌形式[M].沈阳:东北大学出版社,2005
[5]Minsky M.the Society of Mind[M].New York:Simon
关键词 情感计算;远程教育;智能空间
中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2010)24-0007-04
Research on Distance Education based on Affective Computing in Ubiquitous Environment//Zhang Yanle, Wu Jiawei
Abstract As a new computing model, Ubiquitous Computing, which breaks the traditional desktop computing, is suitable for the expression of emotional communication and computing model. It is made up for the defects which are emotional communication difficulties between teachers and students, caused by space and time separation in distance education. This paper firstly analyzes the absence of emotion in distance education, and then detailed analysis of the emotional communication between teachers and students in the smart classroom based on affective computing and finally presented a simplified human-computer emotional interaction model, thereby promoting the development of emotion interactive in distance education.
Key words affective computing; long-distance education; smart space
Author’s address College of Computer, South China Normal University, Guangzhou, China 510631
随着科学技术的发展,人们需要一种与信息空间发展相容的计算模式来满足对信息获取及处理的需求。一种新的计算模式诞生了,它就是普适计算(Ubiquitous Computing)。它强调把计算嵌入到环境和日常工具中,让计算机本身从人们的视线中消失[1],实现信息空间与物理世界的融合。在这个融合的空间中人们可以随时随地透明地获得数字化服务[2]。基于这种理念的普适计算对远程教育有着巨大的促进作用。本文结合智能教室对基于情感计算的远程教学做深入研究,以解决远程教学中情感交互匮乏的问题。
1 普适计算概述
1.1 普适计算的定义
普适计算的概念最早由施乐公司PALOATO研究中心的首席技术官Mark Weiser提出。他在1991年提出:21世纪的计算将是一种无所不在的计算模式,它是一种能包含各种设备的计算模式,其重点在于提供面向客户的统一的、自适应的网络服务。在普适计算环境下,人们可以“随时随地”并透明地获得数字化服务[1],而不用端坐在计算机面前,从某种意义上来讲,计算机好像隐身了。
关于普适计算的定义,不同的人有不同的观点。2002年清华大学徐光裕教授认为:“普适计算是信息空间和物理空间的融合,在这个融合的空间中人们可以随时随地透明地获得数字化服务。”板村建认为,“普适计算技术是让计算机通过认识周围的环境和状况进行判断和反应”[3],其目标都是“要建立一个充满计算和通信能力的环境,同时使这个环境与人们逐渐融合在一起”[4]。
1.2 普适计算的特征
普适计算具有普适性、移动性、消失、透明性和自适应性。
1)透明性。普适计算无所不在,计算设备作为一种工具,人们在使用时不用关心如何去使用它,把它视为不可见,获得这种服务时不需要花费很多注意力,即这种服务的访问方式是十分自然的,甚至是用户本身注意不到的。
2)自适应性。强调如何有效感知物理空间、信息空间及设备位置和人的行为变化,以便系统动态调整自身的行为。
3)消失(disappearing)。Mark Weiser有一个著名论述:“最深奥的技术是那些消失了的技术,这些技术将它们自身交织于日常生活中,直至不可区分。”比如,日常生活中的电虽然对生活有巨大的影响,但是犹如消失在人们的日常生活中。普适计算也将是那样一种消失的计算。
5个特征中,普适性、移动性也是普适计算的基本特征,这里不一一介绍。
2 情感计算和人机情感交互
情感,是人类心理活动的重要组成部分,是人对客观事物是否符合个人需要而产生的主观体验。一般认为,情感是琢磨不定、不可能计算的,因此,以往对情感的研究均局限于心理学范畴。事实上,对于人的情感,在某种程度上是可以进行定性和定量分析的。
2.1 情感计算
让计算机具有情感,实质上就是让计算机在与人类的交互过程中具有智能的和敏感的能力。这个观点并不新鲜,早在1985年,由Marvin Minsky教授首先提出来。他指出问题不在于机器能否有任何情感,而在于机器实现智能时怎么能够有情感[5]。然而,要赋予计算机或机器人以人类式的情感,使其能够感知和表达情感,达到人与自然、人与机器的和谐,在学术界罕有人关注。这种情况直到1997年美国麻省理工学院媒体实验室Picard教授的专著Affective Computing(情感计算)[6]问世才宣告结束。Picard提出“情感计算”并将之界定为“关于情感、情感产生以及影响情感方面的计算”。
概括来讲,情感计算的目的就是通过赋予计算机识别、理解、表达和适应人的情感的能力来建立和谐的人机环境,并使计算机具有更高的、全面的智能。情感计算的过程可用图1表示[7] 。
在情感计算的过程中,所涉及关键技术包括人类生理、心理及行为特征的情感状态分析,人类情感信息信号采集传感器的研究,人类情感的识别技术等。其中,人类情感的识别又包括人面部表情、姿态表情、语调表情识别等技术。
2.2 人机情感交互
人的情感交流是一个十分复杂的过程,不受时间、地点、环境等的影响,每种情感都具有独特的主观体验,同时也会伴随着某种外部表情。例如:愉快时额眉平展、面颊上提、嘴角上翘的面部表情;狂喜时捧腹大笑、悔恨时捶胸顿足的姿态表情;愤怒时声调升高、语速加快,悲伤时语调低沉、语速缓慢的语调表情;等等。
要想准确评价情感的这些主观体验,必须首先确定情感的维度。ACCenter(情感计算中心)引入PAD三维情感模型[8],该模型认为情感具有愉悦度、激活度和优势度3个维度,其中P代表愉悦度(Pleasure-displeasure),表示个体情感状态的正负特性;A代表激活度(Arousal-nonarousal),表示个体的神经生理激活水平;D代表优势度(Dominance-submissiveness),表示个体对情景和他人的控制状态。可以通过这3个维度的值来代表具体的情感。ACCenter基于PAD三维情感模型和对简化版PAD情感量表进行中国化修订,构建出中国人的三维情感空间模型,搭建情感与计算之间的桥梁。
ACCenter设法利用PAD模型[9],将计算机无法直接理解的文本语义转化为可以刻画度量的情感三维空间,再将文本情感的PAD量化结果与情感信息数据库进行对比建模,建立PAD三维情感数据和相关参数之间的关联模型。基于此原理,人机情感交互的模型可用图2来表示[10]。
真正的原型系统是在一个3.1 m×7.6 m用窗帘隔开的房间里面,如图4所示。从外观上看,智能教室内有2个主要设施分别称为媒体板(Media Board)和学生板(Student Board)。Media Board是由一个投影机把影像投影在一个放在教室前部的Smart Board设备上形成的。Media Board充当传统教室中的黑板。Student Board则是投影在教室侧墙上的另一个显示屏幕,是远程学生现场的一个窗口。每个出席课程的远程学生都会有一幅静态的头像显示在上面,同时如果一个远程学生获得发言权后,他的运动图像和声音也可以在这儿播放。此外,教室里面还配备多个摄像头,教师也佩戴有无线麦克风和多功能交互笔(UPen)。
5 总结和展望
普适计算运用于远程教育中,对情感的交互和情感表达具有很大的优势,使远程教育模式和手段更具有人的情感色彩。然而,作为情感交互技术基础的情感计算目前仍面临诸多挑战,例如情感信息的获取与建模、情感识别与理解、情感表达以及自然和谐的人性化和智能化的人机交互的实现等问题。普适环境下的远程教育情感交互是一个值得长期研究的课题,相信在未来社会,将会有大量的操作容易、运作良好的具有情感特征的计算机面世。
参考文献
[1]Weiser M.The computer for the twenty-first century[J].Scientific American,1991,265(3):94-104
[2]徐光裕,史元春,谢伟凯.普适计算[J].计算机学报,2003(9):19-27
[3]饶云波,张应辉,周明天.基于普适计算研究及其应用[J].微型计算机应用,2006(5)
[4]赵海.普适计算:计算混沌形式[M].沈阳:东北大学出版社,2005
[5]Minsky M.the Society of Mind[M].New York:Simon