机器智能：人工心理.pdf

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1、 本书是一本较为全面地介绍人工心理的研究方法和相关技术的著作。 在对人工心理、 人工情感和情感计算的基本概念、 主要内容和应用领域进 行介绍之后， 分别对心理建模、 情感建模、 人工大脑、 人脸识别、 人脸合 成、 表情识别、 行为理解、 人性化信息服务系统、 数字虚拟人技术、 个人 机器人技术做了详细的介绍， 最后对人工心理的未来研究做了展望。 本书适宜于计算机、 电子信息、 自动化、 智能科学、 数字娱乐及工业 设计的科技人员阅读， 也可以作为大专院校相关专业的教师、 研究生和高 年级本科生的教学参考书。 图书在版编目 （CIP） 数据 机器智能： 人工心理/ 王志良著. 2 版. 北京：

2、 机械工业出版社， 2017. 7 （智能制造与装备制造业转型升级丛书） ISBN 978 -7 -111 -57267 -1 . 机 . 王 . 人工智能 - 研究 . TP18 中国版本图书馆 CIP 数据核字 （2017） 第 148454 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037） 策划编辑： 罗 莉 责任编辑： 罗 莉 责任印制： 常天培 责任校对： 胡艳萍 李锦莉 北京京丰印刷厂印刷 2017 年 7 月第 2 版第 1 次印刷 184mm 260mm22. 5 印张552 千字 0 0013 000 册 标准书号： ISBN 978 -7 -111

3、-57267 -1 定价： 99. 00 元 凡购本书， 如有缺页、 倒页、 脱页， 由本社发行部调换 电话服务 服务咨询热线： 01088361066 读者购书热线： 01068326294 01088379203 封面无防伪标均为盗版 网络服务 机 工 官 网： www. cmpbook. com 机 工 官 博： weibo. com/ cmp1952 金 书 网： www. goldenbook. com 教育服务网： www. cmpedu. com 前 言 以人为中心的技术研究已经成为信息学科乃至科学研究的重要发展方向之一。 人工智能 学科以其独特的魅力吸引着越来越多不同学科研究者

4、投入其中， 广义人工智能、 人工生命、 人工大脑、 人工情感、 人工免疫和人工心理等多种人工科学的理论方法不断涌现。 同时， 它 带给我们的挑战是要求研究者要具有心理学、 脑科学、 神经科学、 信息科学等多学科知识背 景。 作者就是在这种新世纪科学技术多学科合作交叉研究的时代特征下， 进行人工心理研究 并萌生写作本书的想法。 人工心理理论是利用信息科学的手段， 对人的心理活动的更全面内容 （尤其是情感、 意志、 性格、 创造等） 的再一次人工机器 （计算机、 模型算法等） 实现。 自 1998 年提出人 工心理的概念以来， 作者所领导的课题组一直进行了若干探索性研究， 取得了一些研究进 展。

5、并整理汇集到本书之中， 与读者共享研究成果。 全书共分为 9 章。 第 1 章主要介绍人工心理的基本概念与研究内容； 第 2 章介绍了人工 大脑的基本方法及其前沿研究； 第 3 章叙述了人工情感的基本内容与情感计算方法； 第 4 章 介绍了人脸工学的研究内容； 第 5 章对人类行为理解的图像处理技术作以介绍； 第 6 章主要 介绍了基于人工心理的个性化商品导购计算机信息系统； 第 7 章介绍了虚拟人技术， 主要是 对虚拟人的认知心理数字化技术的介绍； 第 8 章论述了以人为服务对象的个人机器人技术； 第 9 章展望了人工心理的未来研究。 全书由王志良执笔统稿。 刘欣进行了全稿的校正和修订工作。

6、 王国江、 刘欢、 朱大鹏参 与了第 2 章的研究工作或资料整理； 刘冀伟、 魏哲华、 腾少冬、 张琴、 车玲玲、 祝长生参与 了第 3 章的研究工作或资料整理； 徐正光、 程宁、 刘芳、 王丽娟、 陆晓娟参与了第 4 章的研 究工作或资料整理； 韩洪哲、 韩忠涛、 王晓伟参与了第 5 章的研究工作； 王莉、 马鋆、 王婷 婷、 张琴参与了第 6 章的研究工作或资料整理； 赵薇、 王娟参与了第 7 章的研究工作或资料 整理； 解仑、 张雪元、 李庆恩参与了第 8 章的研究工作或资料整理。 这里， 首先感谢国家自然科学基金委员会信息学部自动化学科徐孝涵老前辈， 没有徐先 生独到慧眼、 力排众议的

7、创新支持， 就没有人工心理概念的提出； 感谢国家自然科学基金重 点项 目 （ 项 目 编 号： No. 61432004 ）、 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （ 课 题 编 号： No. 2016YFB1001404） 的支持； 没有国家的支持， 就没有人工心理的研究发展。 感谢中国人 工智能学会涂序彦、 钟义信前辈的支持扶植； 特别感谢机械工业出版社孙流芳老师、 牛新国 老师的大力支持， 本书才得以出版。 由于作者的水平与对人工心理的研究有限， 书中肯定有不少的缺点与疏漏之处， 敬请读 者继续批评指正。 王志良 于北京科技大学 目 录 前言 第 1 章 人工心理1 1. 1 NBI

8、C 会聚技术1 1. 2 数字人技术3 1. 3 人工心理相关研究6 参考文献18 第 2 章 人工大脑20 2. 1 概论20 2. 1. 1 “人工大脑” 的概念20 2. 1. 2 “人工大脑” 的技术与实现21 2. 2 大脑的基本知识22 2. 2. 1 概述22 2. 2. 2 大脑的基本组织结构23 2. 2. 3 大脑的三个部分25 2. 2. 4 左右脑的区别与联系25 2. 2. 5 左右脑的结构与功能26 2. 2. 6 左右脑协调工作的机理27 2. 3 事件相关脑电位在脑科学 研究中的作用29 2. 3. 1 事件相关脑电位的提取原理29 2. 3. 2 事件相关脑电

9、位在认知科学与 脑科学研究中的重要作用31 2. 4 脑机接口 （BCI） 技术35 2. 4. 1 BCI 技术概述35 2. 4. 2 BCI 技术的发展历史36 2. 4. 3 BCI 技术的应用领域38 2. 4. 4 BCI 脑控机器人技术40 2. 5 人工大脑简单记忆功能的 电路实现51 2. 5. 1 Hopfield 神经网络52 2. 5. 2 电路设计54 2. 5. 3 电路的实现过程与实验结果56 参考文献60 第 3 章 人工情感62 3. 1 概论62 3. 2 情绪心理学67 3. 2. 1 基本情绪理论67 3. 2. 2 情绪的主要成分69 3. 2. 3

10、情绪的维度描述69 3. 2. 4 基本情绪与复合情绪70 3. 3 情感计算的数学模型与 情感形式化76 3. 3. 1 情绪的数学描述76 3. 3. 2 几种典型的情绪数学描述86 3. 3. 3 心理学中对情绪量化的思考87 3. 4 人工情感的数学模型88 3. 4. 1 国际人工情感计算模型88 3. 4. 2 人工心理的情感形式化方法96 3. 5 未来研究需要解决的问题117 参考文献117 第 4 章 人脸工学119 4. 1 人脸检测与跟踪技术119 4. 1. 1 人脸检测119 4. 1. 2 人脸跟踪方法124 4. 1. 3 人脸面部特征的提取126 4. 2 表情

11、识别技术130 4. 2. 1 表情识别方法130 4. 2. 2 人脸面部的特征检测 及表情识别132 4. 3 人脸合成技术142 4. 3. 1 概述142 4. 3. 2 VC 环境下人脸表情 动画的实现143 4. 3. 3 动画的实现与结果149 参考文献151 第 5 章 人类心理行为的图像 理解技术153 5. 1 概论153 5. 1. 1 基于视觉的人体运动分析153 5. 1. 2 运动检测153 5. 1. 3 目标分类154 5. 1. 4 人体跟踪155 5. 1. 5 行为的理解和描述155 5. 2 人体的检测与跟踪技术156 5. 2. 1 概述156 5.

12、2. 2 基于区域的人体运动跟踪157 5. 2. 3 基于小波变换的分层块匹配 多目标跟踪方法162 5. 2. 4 运动物体的特征提取与跟踪164 5. 2. 5 目标的识别与分类168 5. 2. 6 运动体运动状态估计168 5. 2. 7 卡尔曼滤波器在物体运动 跟踪中的应用169 5. 2. 8 运动物体检测和跟踪原型 系统的实现170 5. 3 疲劳检测与视线追踪技术176 5. 3. 1 疲劳驾驶中打盹的检测176 5. 3. 2 视线追踪技术178 参考文献181 第 6 章 基于人工心理的个性化商品 导购系统184 6. 1 面向 Internet 的个性化智能商品 导购空

13、间184 6. 1. 1 个性空间的构想起源184 6. 1. 2 国内外在智能交互领域的 研究现状186 6. 1. 3 个性化智能商品导购空间的 结构与功能188 6. 1. 4 个性化智能商品选购系统的网络 平台搭建方法189 6. 2 个性化交互系统数据库的设计192 6. 2. 1 HSV 颜色模型及量化方法192 6. 2. 2 服装商品的特点与设计理念195 6. 2. 3 服装商品特征库的建立196 6. 2. 4 客户情感数据库的建立198 6. 2. 5 实验结果与分析200 6. 3 个性化交互系统在线智能 推理机的建立201 6. 3. 1 使用遗传算法搭建 顾客心理模

14、型202 6. 3. 2 使用人工神经网络进行顾客 心理模型的搭建209 6. 4 基于 RBF 神经网络的离线 推理机建模215 6. 5 色彩与人工心理对应关系的 建模与应用219 6. 5. 1 色彩心理效应研究和 实验数据的采集219 6. 5. 2 色彩与人工心理对应关系 的建模方法221 6. 5. 3 色彩心理效应模型在个性咨询 系统中应用算法的设计224 6. 6 对顾客购买结果的综合推断 贝叶斯网络方法的应用226 6. 6. 1 贝叶斯网络理论基础226 6. 6. 2 贝叶斯网络结构的设计227 6. 6. 3 实验与结果分析230 6. 7 满足个性心理的服装选购 计算

15、机系统234 6. 7. 1 个性化智能商品选购系统 的注册与登录234 6. 7. 2 个性化智能交互系统的实现236 6. 7. 3 私人着装咨询服务239 6. 7. 4 虚拟试衣间服务的搭建241 参考文献244 第 7 章 数字虚拟人技术246 7. 1 虚拟人技术246 7. 2 虚拟现实技术252 7. 2. 1 概述252 7. 2. 2 主流技术介绍253 7. 2. 3 三维人脸建模的相关技术 及算法255 7. 3 虚拟数字人的发展方向261 7. 4 情感虚拟人系统265 7. 4. 1 文本处理和回答的产生265 7. 4. 2 应用贝叶斯网络进行 个性化建模267

16、7. 4. 3 从情绪到情感的转换268 7. 4. 4 情感与表情的同步化过程269 7. 4. 5 情感虚拟人个性化设计269 7. 5 基于三维人脸建模的人机交互系统中 情感虚拟人的设计与实现270 7. 5. 1 情感虚拟人系统的 总体设计270 7. 5. 2 情感虚拟人三维人脸模型 的实现272 7. 5. 3 基于 Candide 模型的 三维人脸建模273 7. 5. 4 人脸模型的变换275 7. 5. 5 脸部表情的运动计算277 7. 5. 6 纹理贴图280 7. 5. 7 情感虚拟人的表情合成280 7. 6 情感虚拟人系统的结果分析282 7. 6. 1 初始化情感

17、模型282 7. 6. 2 情感交互系统的实现 与结果分析283 参考文献287 第 8 章 个人服务机器人技术289 8. 1 服务机器人289 8. 1. 1 概述289 8. 1. 2 个人机器人技术292 8. 1. 3 情感机器人293 8. 2 机器人实验平台294 8. 2. 1 情感机器人的主要技术294 8. 2. 2 机器人的系统结构296 8. 2. 3 机器人系统模块的划分298 8. 3 机器人实验系统的技术实现302 8. 3. 1 机器人语音识别的实现302 8. 3. 2 机器人语音合成的实现303 8. 3. 3 机器人视觉的实现305 8. 3. 4 人脸检

18、测的实现306 8. 3. 5 上下位机通信的实现308 8. 3. 6 机器人情感交互的实现309 8. 3. 7 实验结果311 8. 4 机器人的情感信息处理311 8. 4. 1 语音情感信息处理312 8. 4. 2 表情信息处理314 8. 4. 3 其他情感信息处理314 8. 4. 4 情感信息融合314 8. 4. 5 机器人情感行为的表达317 8. 5 人工心理在机器人实验 系统中的应用319 参考文献325 第 9 章 未来研究329 9. 1 基于马斯洛需求层次论的 人工心理模型329 9. 1. 1 人机交互结构模型330 9. 1. 2 基本生理、 安全模型331

19、 9. 1. 3 情感模型331 9. 1. 4 学习模型337 9. 2 基于意识的人工心理模型研究337 9. 2. 1 意识的基本概念337 9. 2. 2 人脑的信息处理机制338 9. 2. 3 模型的建立338 9. 2. 4 系统仿真的实现340 9. 3 情绪的非线性数学描述342 9. 3. 1 情绪的非线性特征342 9. 3. 2 非线性动态理论可以用于 情绪建模的原因343 9. 3. 3 将非线性动态理论应用到情绪 系统中的设想和困难性346 9. 4 人工心理研究平台的建设346 参考文献349 附录 缩略语351 第 1 章 人 工 心 理 在 国家中长期科学和技

20、术发展规划纲要 （20062020 年） 中， 指出了信息技术将继 续向高性能、 低成本、 普适计算和智能化等主要方向发展， 寻求新的计算与处理方式和物理 实现是未来信息技术领域面临的重大挑战。 纳米科技、 生物技术与认知科学等多学科的交叉 融合， 将促进基于生物特征的、 以图像和自然语言理解为基础的 “以人为中心” 的信息技 术发展， 作为信息学科前沿技术要研究个性化的智能机器人和人机交互系统。 在国家科技发展纲要中如此描述信息技术的发展方向， 这表明新世纪科学发展的特征是 对人的研究、 对人与自然和谐相处的研究； 其表现是纳米生物信息认知 （NanoBioInfo Cognition， N

21、BIC） 多学科交叉、 多技术融合研究的突起； 是数字人 （物理机器人与虚拟软 件人的总称； 数字人与数字社会的关系研究） 技术的趋于热门化和普遍化。 以人为本， 以人与自然的和谐相处为研究目标， 以多学科交叉结合为研究手段， 以人工 科学为主要研究领域， 将是未来若干年科学技术研究的主要特征。 1. 1 NBIC 会聚技术 2001 年 12 月， 美国国家科学基金会和国家科技委员会纳米科学工程与技术分委会， 在 华盛顿联合发起了一次由科学家、 政府官员等各界顶级人物参加的圆桌会议， 会议就 “提 升人类技能的会聚技术” 议题进行研讨， 首次提出了 “NBIC 会聚技术” 的概念。 NBIC

22、 会 聚技术是指当前四个迅速发展的科学技术领域的协同和融合。 这四个领域分别是： 纳米技 术、 生物科学 （包括生物制药及基因工程）、 信息技术 （包括先进计算机与通信） 和认知科 学 （包括认知神经科学）， 如图 11 所示。 与会专家认为：当前，以上四个领域的技术都在迅 图 11 NBIC 会聚技术 速发展， 每一个领域都潜力巨大， 其中任 何技术的两两或交叉融合、 会聚或者集 成， 都将产生难以估量的影响。“NBIC 会聚技术” 代表着研究与开发新的前沿 领域， 其发展将显著改善人类生命质量， 提升和扩展人的技能， 这四大前沿技术的 融合还将缔造全新的研究思路和全新的经 济模式， 将大大

23、提高整个社会的创新能力 和国家的生产力水平， 从而增强国家的竞 争力， 也将对国家安全提供更强有力的保 障。 从 NBIC 会聚技术概念的提出到现在， 16 年过去了。 这此期间， NBIC 技术可谓 “一日 千里”， 它所昭示的技术范式变革在各方面都正在成为现实。 NBIC 这四门科学技术其实本身已经是交叉学科， 例如认知科学是研究人类感知和思维 信息处理过程的科学， 包括从感觉的输入到复杂问题求解， 从人类个体到人类社会的智能活 动， 以及人类智能和机器智能的性质。 它的研究内容包括知觉、 学习、 记忆、 推理、 语言理 解、 注意、 情感和统称为意识的高级心理现象。 它涉及生物学、 心理

24、学、 细胞学、 脑科学、 遗传学、 神经科学、 语言学、 逻辑学、 信息科学、 人工智能、 数学、 人类学等多个领域， 是 多学科交叉研究发展的领域， 也是当今最活跃的研究领域之一。 在美国国家科学基金会主持编写的 提升人类能力的会聚技术 报告中这样提到： 纳 米、 生物、 信息、 认知四大科学技术具有以下互补关系： “如果认知科学家能够想到它， 纳 米科学家就能够制造它， 生物科学家就能够使用它， 信息科学家就能够监视和控制它。” 会聚技术为未来的发展提供了巨大的机遇， 第一次使人类能够将自然界、 人类社会和科 学研究理解为几个紧密相连的复杂而又层次分明的系统， 在技术成就不断演进的同时，

25、通过 技术整合进而提高人类能力。 NBIC 会聚技术给人类描绘了这样一个前景： 基于会聚技术的认识和应用， 人类大脑的潜 力将被激发出来， 人的悟性、 效率、 创造性及准确性将大大提高， 人体及感官对外界的突然变 化， 如事故、 疾病等的感知能力变得敏感， 人类将可以以原子或分子为起点来诊断和修复自身 与世界， 帮助老龄人群普遍改善体能与认知功能的衰退， 人与人之间产生包括脑与脑交流在内 的高效通信手段， 社会群体有效地改善合作效能， 社会大幅度减少资源与能源的消耗， 降低对 生态环境的破坏与污染。 总之， 人类将在纳米的物质层重新认识和改造世界及人类自身。 “NBIC 会聚技术” 的发起者曾

26、经达成了这样一个共识 最重要的是要通过纳米技术、 生物科学、 信息技术、 认知科学的融合发展， 推翻学科之间的研究和发展壁垒， 使得四门技 术在融合发展中迸发出足够的潜力。 NBIC （纳米技术、 生物科学、 信息技术和认知科学） 包含人类性能增强技术的三大领 域： 治疗学 （Therapeutic）、 增强 （Augmentation） 技术和计划演进 （Designed Evolution）。 1. 治疗学 治疗学是指为残疾人和人体机能障碍患者恢复其正常人体机能的人类性能增强技术。 它 的治疗领域主要包括由于疾病、 先天缺陷或意外事故引起的残疾或机能缺陷。 这个领域已经 出现并且会通过纳米

27、技术、 生物科学、 信息技术和认知科学的发展促进其发展。 治疗增强的例子包括恢复视力， 恢复听力， 修复肢体， 遗传疫苗， 低压处理， 专业化医 疗， 器官繁殖， 记忆恢复， 灵活性恢复。 2. 增强技术 增强技术是指提升到超人水平的人类性能增强技术。 任何一个在人体性能增强中需要治 疗的人同样也需要增强技术。 人们在认知、 身体和其他方面能力的增强都会使自身职业、 年 龄和兴趣不同而产生的个性化程度更强。 例如， 强化记忆 （完全重新唤起）， 红外夜视 （安全作业工人）， 扩大听觉范围， 视力 范围的延伸， 专业化工具的改进和对信息传递和控制的研究 （医生、 工程师）， 嵌入式无线 通信系统

28、 （知识分子）， 高速度机械结构 （运动员）， 适时力量增强， 预防科学和遗传健康 改进， 多任务感知 （项目管理者）， 个人遗传最优化分析， 视觉认知的大容量存储 （交易代 理商）， 实时视觉和语音数据的采集， 探寻和发现， 合成认知接入端口 （直接网络链接）， 触觉虚拟通信接口技术 （同声传译）。 3. 计划演进 计划演进是指人们在受精以前和出生后可以选择进行体外实验的人类增强技术， 包括按 2 照伦理和科学方法选择的作为个体和作为群体的人类基因组。 计划演进主要包括体外实验引 起的记忆力、 智力、 速度、 灵活性及某种行为和身体特质的加强。 应用的最大领域就是体外实验中对不明基因的鉴定，

29、 这些不明基因很有可能成为造成官 能障碍和引起癌症以及酒精中毒的初级粒子。 例如， 增加寿命， 最优化免疫防护， 人与机械的同步进化， 数位管理个性特征， 克隆 人， 抑制恶化的反萎缩肌体， 自我补给的骨骼， 适时搜寻和消灭细胞内疾病的清道夫。 这些情况和设想对于规划未来发展的进程是完全可能的。 思科公司的路由器是以中枢网 络的形式运行， 它有自己的语言而不同于人类的语言。 摩托罗拉公司采用数字 DNA 的形式 交流， IBM 的 Waston 是采用认知计算系统的商业人工智能代表， 它让世界正变得更健康、 更安全、 更个性、 更富有创造力。 Waston 的智能每天都在进步， 认知也在持续发

30、展， 它正 在改变整个世界的工作、 决策、 创新、 学习和思考方式。 近日， 来自加州大学尔湾分校的研 究人员通过大规模、 多任务课度学习网络进行 “目标” 基因表达谱预测， 并在预测精度上 获得了显著提升， 日前， 所有的基因发现已经在 IT 业优化应用。 事实上， 生物信息技术已 经成为无硅效应代替传统实验方式的新模式。 这项工作证实了 NBIC 模式的兴起。 人们需要新的科学探索模式去揭开与现实生活密不可分的奥秘。 人们对大脑和认知科学 知之甚少， 而这两项内容又对人们了解宇宙至关重要。 医生对个体基因交互作用缺乏深刻的 了解， 所以只能在分子层面上治疗疾病。 在不久之前， 科学家才开始

31、迈开解密人类基因密码的第一步， 人们仍然一知半解地称之 为 DNA。 也许需要新的模式去加速地发现。 这也就是 NBIC 会聚技术如此令人感兴趣的原因 不是为了它会揭开今天的秘密， 而是为了它会在未来创造发现新模式。 人们需要创造另外一种解放思维、 开发策略、 解决问题的方式， 来形成解决方案。 总会 有一天， 造成艾滋病、 心血管疾病和癌症盛行的秘密会用诸如 NBIC 系统方法加以解决。 在 人们前进的过程中， 需要对社会责任和个人民主权利保持同样密切的关注， 不允许 NBIC 会 聚技术和人类性能增强技术被低级的趣味所玷污， 也不允许那些滥用技术和压迫个人的公司 和企业将其破坏。 人类性能

32、增强技术应该是在政府保护下的个人自由选择， 而不能受他人支 配， 它也不是进行压迫或对自由选择进行攻击的工具。 不是所有的文化都会接受这样的观 念， 但是科学和社会的价值观念需要人们通过赞赏和敬意的眼光去展望未来。 NBIC 会聚技术并不会使人类一劳永逸。 这说明了更大的效率会产生于思考新的通向科 学的系统模式之中。 NBIC 会聚技术所提供的创新、 策略和解决方案的整合系统将成为人类 性能增强技术的催化剂。 NBIC 会聚技术会给我们指出通往更加美好未来的路， 在这条路上， 通过个体的自由选 择， 人类将获得更大的生产力和更高质量的生活。 1. 2 数字人技术 在 NBIC 会聚技术中， 认

33、知科学与信息技术、 生物科学的融合就是数字人 （Digital Hu man） 技术； 数字人是物理机器人与虚拟软件人的总称。 数字人技术的研究分为三个层次： 数字人的生理结构； 数字人的心理与认知结构； 数字 人的运动结构。 图 12 所示为数字人的生理层次研究内容， 其中图 a 为数字器官， 图 b 为数 3 字头部。 数字人与数字社会的关系研究成为数字人技术的前沿问题， 和谐人机交互正在成为信息 技术研究的重要领域。 数字人技术越来越成为社会发展需要的技术之一。 在 国家中长期 科学和技术发展规划纲要 （20062020 年） 中， 指出了作为信息学科前沿技术要研究个性 化的智能机器人和

34、人机交互系统。 作为制造业前沿技术要研究智能服务机器人 （智能服务 机器人是在非结构环境下， 为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。 以服务机 器人和危险作业机器人应用需求为重点， 研究设计方法、 制造工艺、 智能控制和应用系统集 成等共性基础技术）。 图 13 所示为美国麻省理工学院 （Massachusettes Institute of Technolo gy， MIT） 研制的社会机器人与情感数字人。 图 12 数字人的生理层次研究内容 a） 数字器官 b） 数字头部 图 13 社会机器人与情感数字人 a） 社会机器人 机器小精灵 b） 情感虚拟数字人 进入 21 世纪 （2

35、001 年）， 日本国家工业研究院开展了 “数字人技术” 国家层面攻关研 究计划。 其目的是从心理认知、 运动行为和生理状态三个层次面上研究人类， 在这个基础上 研究开发拟人系统和为人类服务的技术。 这个研究计划的内容是： 1. 认知理解人类的技术 研究以构造人类模型的人类机能为基础， 建立将所有功能集成化、 模型化的软件平台， 特别是开展将人类的心理、 认知功能模型化的探索性研究。 图 14 所示为进行理解人类行为 4 的模拟驾驶行为的虚拟平台。 2. 与人类相伴的技术 在房间和环境周边安装大量的测人传感器， 检测感知人类的状态、 行为； 根据此状态和 行为为人类提供相应的服务。 主要研究测

36、人传感器技术和人类行为数字化技术。 图 14 模拟驾驶行为的虚拟平台 图 15 以人为本的设计技术 图 16 人类支援机器人 3. 以人类为本 （匹配） 的设计 技术 研究衣服、 眼镜、 相机、 汽车等 人类使用产品制造的易使用、 易理解 的设计方法， 研究计测人体和动作技 术和在计算机上虚拟再现模拟使用产 品时人的感受的技术， 如图 15 所 示。 4. 人类支援技术 研究支持人类生活和行动的技术 和类人机器人技术； 特别要研究声音 提示技术； 重点研究既能够检测和识 别人， 又能够稳定高速步行的双足个 人机器人技术。 图 16 所示为进行家 庭服务的人类支援机器人。 另外，正在开展的研究项

37、目还有 基于三维（3D）人脸的合适匹配眼镜 的开发；基于现代女性平均 3D 人体 的服装人体的开发等，如图 17 所示。 图 18 所示为日本研究的家用机 器人与个人机器人。 个人机器人 （P Robot）、 家庭服务机器人和情感机器 人正在成为发达国家机器人研究的尖 端技术； 虚拟软件人正在成为基于网 络的信息服务系统和智能用户界面的 支撑技术； 其中， 人工情绪、 认知 情绪意识的关系问题正在成为数字 人技术的重要基础理论问题。 这里， 我们可以看到， 日本已经 把引以为豪的机器人技术引申为数字 人技术。 信息科学技术发展的重要目标是 数字化社会 （环境 + 人）。 和谐的信 息社会必须包

38、括数字化地球和数字化 人类两个层次的研究， 否则就不是和谐、 文明的数字化社会。 5 图 17 基于 3D 的匹配眼镜和服装人体 a） 基于 3D 人脸的合适匹配眼镜 b） 基于现代女性平均 3D 人体的服装人体 图 18 家用机器人与个人机器人 数字人技术是数字自然环境 （数字地球、 数字中国、 数字北京） 技术的延伸， 是 NBIC 会聚技术的具体体现， 是 21 世纪信息科学前沿技术发展的必然。 数字人技术的研究领域主要包括两个方面： 1） 虚拟人技术 （网络环境 + 多媒体技术）； 2） 机器人技术 （个人机器人技术； 服务机器人技术）。 数字人的研究内容： 1） 人体生理的数字化 （

39、我国 973 计划研究侧重于医学与生理层次）； 2） 人类心理的数字化 （认知与心理层次）； 3） 人类行为的数字化 （运动/ 机械层次）； 4） 和谐人机交互技术与个人机器人技术。 数字人的应用领域： 1） 具有智能和情感能力的虚拟志愿者； 2） 基于图像智能监控的安全保卫系统； 3） 数字家庭中的个人服务机器人； 4） 老龄化社会的人性化养老服务事业。 1. 3 人工心理相关研究 作为 NBIC 会聚技术分支之一； 数字人技术和拟人系统的一个主要科学问题和支撑技 术， 需要研究人工心理 （人工智能、 情感和意识的统一作用） 问题、 人工情绪与认知的关 系问题。 在信息科学领域， 大家一直把

40、模仿人、 模仿人脑、 模仿人的智能、 模仿人的行为作为重 要的研究方向和内容。 回顾自动化科学和技术的发展历史， 更会感到人们是把脑科学、 心理 学、 神经科学作为神经机械学 （拟人控制）、 自控理论的源泉， 来研究控制策略和算法的。 我们也是沿着这条路子， 从心理学以及相关领域的学习研究出发， 来探索、 研究并试图开辟 智能学科以及信息科学的新领域。 众所周知， 经过几十年的研究， 人工智能的研究已经达到了很高的水平。 然而， 它的研 究目的只是在于模拟人的智能， 如判断、 推理、 证明、 识别、 感知、 理解、 设计、 思考、 规 划、 学习和问题求解等思维活动。 研究内容是怎样表示知识、

41、 获得知识并使用知识。 这在拟 6 人化的研究领域还只是很初步的阶段。 因为人的心理活动包括感觉、 知觉、 记忆、 思维、 情 感、 意志、 性格、 创造等方面。 而人工智能仅仅研究了感觉、 知觉、 记忆、 思维等心理活 动， 对于情感、 意志、 性格、 创造等心理活动根本不涉及， 这显然是不够的。 因此， 利用人 工智能已有的基础 （研究成果、 研究方法）， 结合心理学、 脑科学、 神经科学、 信息科学、 计算机科学、 自动化科学的新理论和新方法， 对人的心理活动 （尤其是情感、 意志、 性格、 创造等） 全面进行人工机器模拟， 这正是我们研究人工心理理论的基础和目的所在。 1. 人工心理学

42、 人工心理理论就是利用信息科学的手段， 对人的心理活动更全面内容的再一次人工机器 （计算机、 模型算法等） 实现。 它的应用前景是非常广泛的， 如支持开发有情感、 意识和智 能的机器人； 真正意义上的拟人机械研究； 使控制理论更接近于人脑的控制模式。 我们知 道， 已有的拟人控制理论主要就是维纳的 “反馈” 控制论和人工智能， 这与人脑的控制模 式还有很大差别， 因为人脑控制模式是： 感觉、 知觉 + 情感决定行为； 而现有的控制系统决 策不考虑也无法考虑情感的因素。 人工心理应用的另一大领域是符合人性化的商品设计和市 场开发。 毫不夸张地说， 人工心理理论是人工智能的高级阶段， 是自动化乃至

43、信息科学的全 新研究领域。 它的研究将会大大促进拟人控制理论、 情感机器人、 人性化的商品设计和市场 开发等方面的进展， 为最终营造一个人与人、 人与机器和谐的社会环境做出贡献。 虽然没有人提出人工心理的概念， 但近几年对它的相关技术研究却正在形成一种趋势， 尤其以日本最为先进。 自 1990 年以来， 在日本科学技术界流行 “感性工学 （Kansei Engi neering）” 的新术语。 按照日本人的解释， 感性工学是研究情感、 感觉、 知觉、 记忆和思维 的总称。 为了保持 21 世纪在信息技术领域的领先地位， 在日本通产省和文部省的重点支持 下， 由日本通产省工业技术院牵头， 组织各方面的专家， 以 “