PNAS：看人「臉色」的科學依據

圖一 馬克羅斯科的畫

解析作者 | 唧唧堂金融學研究小組：蹦迪土拔鼠； 審校編輯 |Ernest

本文是針對論文《面部色彩是視覺傳達情緒的有效機制（Facial color is an efficient mechanism to visually transmit emotion）》的一篇論文解析，該論文於2018年2月發表於《美國科學院院報（PNAS）》雜誌上，作者來自美國俄亥俄州立大學電子與計算機工程系。

面部表情被認為是由面部肌肉運動產生的。然而人臉表面有大量血管交織在一起，而血液在血管中的動態變化會導致面部色彩有肉眼可見的變化。研究者提出假設，即使沒有觀察到任何面部肌肉運動，個體也可以通過知覺對方面部色彩來理解他所傳達的情緒。研究者試圖解答兩個問題：面部色彩可以準確地將不同的情緒類別傳遞給他人嗎？人類視覺系統是否會用面部色彩來解碼面部情緒？

圖二 面部血管非常接近皮膚表面（靜脈為藍色，動脈為紅色）

研究方法與結果

研究者設計了四個實驗來檢驗假設。實驗一驗證面部色彩在不同膚色的面孔中表達情緒時是一致的，且可以區分不同的情緒。實驗二確定了編碼不同情緒的色彩變化。實驗三將色彩變化模式與中性表情面孔疊加，證明被試僅僅基於顏色特徵來識別情緒。實驗四證實了這種情緒識別是獨立於面部肌肉活動的。

實驗一：採集了184名不同種族和性別人臉面孔生成的18種面部表情，按解剖學劃分了126個面孔區域。為了驗證面部色彩在同一種表情中一致，且不同的色彩表徵不同的情緒，研究者建立了一個線性分類器，以特徵向量?xij 定義由第i個人產生的第j種情緒。圖三A中是機器學習預測後的混淆表格（Confusion Table），圓圈大小表明分類準確度。實驗一表明每種情緒類別中存在一致的顏色特徵，這種特徵在不同情緒中也是不同的。

實驗二：運用於實驗一中同樣的方法，但為了確定最具區分度的顏色特徵，使用一對多的方法做計算分析。這表明目標情緒圖像作為一種類別，而非目標情緒圖像則作為另一種類別。線性分類器被用於區分每個目標情緒對應的色彩模型 ?xj 和非目標情緒對應的色彩模型 ?x?j , j = 1, . . . , 18。分類器的準確度在圖三B中所示，顯著高於機遇水平（50%）。

圖三

（A, angry; AD, angrily disgusted; AS, angrily surprised; D, disgusted; DS, disgustedly surprised; F, fearful; FA, fearfully angry; FD, fearfully disgusted; FS, fearfully surprised; H, happy; HD, happily disgusted; HS, happily surprised; N, neutral; S, sad; SA, sadly angry; SD, sadly disgusted; SF, sadly fearful; SS, sadly surprised; Su, surprised.）

結果支持研究假設，即不同的面部情緒來源於不同的面部色彩，且不同人產生同一種情緒時顏色特徵不變。研究者將顏色疊加在非中性面孔中（如圖四A所示的愉快，憤怒，驚訝），且這些顏色在分類器中被區分出來的維度也是18，進一步驗證了假設。

實驗三：將實驗二中的 ?xj和 ?x?j模型用於修改採集的184張中性面孔的特徵。研究者將以下六種情緒類別（憤怒，厭惡，快樂，嗔怒，傷心和驚恐）的顏色疊加到中性面孔上（圖四B），生成了一個新的集合，Iij，j = 1，...，6。如圖四C，被試要從一對面孔（ ?Iij 和 ?Iik， k ?= j）中選擇出表達情緒j的面孔圖像。結果發現，被試選擇的正確率顯著高於機遇水平（圖五A）。研究者接著加大任務難度，要求被試從給定的六種情緒面孔中選擇出正確的情緒面孔 ?Iij（圖四D），結果發現除了「嗔怒」的表情與「愉快」被混淆外，被試區分準確率顯著高於機遇水平（圖五B）。

圖四 實驗三任務流程

圖五

實驗四：研究者進而對實驗三提出疑問，通過面部肌肉運動傳達的情緒信息與顏色特徵傳遞的情緒信息彼此獨立嗎？研究者假設，如果顏色特徵獨立與肌肉運動傳遞信息，那麼帶有目標情緒j的顏色應該比帶有非目標情情緒k的顏色表達情緒更易於區分。研究者基於假設建立了兩個圖像集，分別是色彩與肌肉運動一致的集合I+ij 和色彩與肌肉運動不一致的集合Ikij 。圖五C中結果顯示選擇I+ij的比率顯著高於機遇水平。這一結果支持假設：顏色特徵（至少部分）獨立傳輸情緒信號。

討論

這個研究可用於改善現有的面孔加工計算模型，將面部色彩感知作為一個變數。同樣，人工智慧的一些演算法（例如人機交互和計算機視覺等）也應該將色彩和肌肉運動定義為兩種不同的加工通路，這有助於它們更好地通過圖靈測試。研究對於精神病理學也有重要意義，比如精神病的常見癥狀之一就是對面部情感表達的混亂感知，但這到底是因為哪個機制的錯誤加工導致的，肌肉運動還是色彩識別，有待進一步研究去驗證。

這個研究也支持了顏色能夠傳遞情感這一觀點。正如看到抽象派畫家馬克羅斯科的作品時，我們能從模糊的色塊中感受到他強烈的情感。

參考文獻：

Benitez-Quiroz, C., Srinivasan, R. and Martinez, A. (2018). Facial color is an efficient mechanism to visually transmit emotion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(14), pp.3581-3586.

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