基于雷达的呼吸检测用于情感响应型照明：结合机器人模拟及不同占用场景下人类受试者的实验室研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Radar?Based Breathing Detection Towards Emotion?Responsive Lighting: Laboratory Studies with Robot Simulations and Human Occupants Under Varied Occupancy

　　摘要
建筑环境对人类的幸福感、表现以及日常活动起着重要作用。作为室内环境质量的核心因素之一，照明不仅影响视力，还会影响与自主神经调节相关的生理和心理过程，而呼吸频率则是可测量的指标之一。本研究通过两种实验方法，探讨了使用毫米波雷达实现以下功能的可行性：1）检测室内是否有人员存在；2）估算呼吸频率；3）将呼吸频率作为情感感知系统的指标。首先，利用两个定制的控流胸腔机器人，在不同距离下模拟人员胸部运动，系统评估在无人员、1人或2人在场时的人员检测及呼吸频率估算效果。其次，让受试者单独或成对坐在不同距离处观看能引发情感反应的视频，同时评估实际人员在不同情绪状态下的呼吸频率差异。实验结果显示，人员检测的加权F1分数均高于0.90，具备较高可靠性；呼吸频率估算的准确率在±3次/分钟的临床可接受范围内可达80%。重复测量方差分析表明，高唤醒度视频与低唤醒度视频的呼吸频率存在显著差异，而不同情绪强度下的差异则不显著。这些研究结果证明了在人员数量不固定的室内环境中，基于雷达的人员及呼吸监测是可行的；不过，由于呼吸频率的差异相对较小，要使其用于情感响应型照明系统，还需进一步研究。

引言
建筑环境对人类的幸福感、表现以及日常活动具有重要意义。由于大多数人大部分时间都在室内度过[[1], [2], [3]]，建筑环境会显著影响人们的满意度、表现及整体健康状况[[4]]。为营造舒适的室内环境，室内环境质量已成为建筑设计和管理中的重要考量因素。通常，室内环境质量是依据标准限值来评估的，这些标准旨在确保人们获得适宜的舒适度并保障安全[[5], [6], [7]]。然而，最新研究表明，室内环境的影响不仅限于物理条件，还涉及人们的满意度、心理健康及整体福祉[[4], [7]]。因此，建筑不应仅仅被视为提供标准环境条件的空间，而应视为能与人的心理生理过程相互作用的系统。

在室内环境质量的四个核心因素中，照明具有独特的作用，尤其关乎人们的幸福感。除了帮助人们视物外，光照还对人的非视觉生理和心理过程起着调节作用[[8], [9]]。短期内，光照会影响人的生理状态、警觉性、情绪及认知表现；长期来看，光照则对生物节律、睡眠、生理过程及情绪健康起着关键作用[[8]]。这些影响取决于光谱功率分布、光照强度、光照时间、暴露时长以及个体差异等多种因素[[8], [9], [10]]。光照的一个重要短期效应是其对情绪的影响，而情绪又会显著影响人的行为。情绪是人类体验的重要组成部分，影响着人的个人生活和社会交往。研究表明，情绪会塑造人的行为，包括判断力、记忆力及认知表现[[11], [12], [13], [14]]。鉴于有证据表明光照强度及光谱功率分布会影响情绪的唤醒度和强度[[15], [16], [17], [18], [19]]，照明有望成为打造能够支持情感需求且能作出相应反应的环境的有效手段[[20]]。不过，要实现这样的环境，就需要具备能够获取有关人们状态的信息的同时又能保护其隐私和舒适度的控制系统。为满足人们的视觉及非视觉照明需求，这类系统应收集并整合比单纯的人员数量更个性化的信息。这一理念面临的主要挑战是如何在不干扰人们隐私和舒适度的前提下获取此类信息，且所使用的方法不受光照条件的影响。

多年来，照明控制策略不断演变，从手动开关发展到更为高效的自动照明系统。目前常见的自动照明控制系统主要依靠人员检测、日光强度以及预定的人员活动时间表来驱动[[21], [22]]。尽管这些方法能够显著降低能耗，但很少考虑人们的心理生理需求。为更好地打造以人为中心的室内环境，可能需要的信息比现有商业照明系统传感器所能提供的更为详细[[23], [24]]。

呼吸频率是一种与自主神经活动及情绪唤醒相关的可测量生理信号。在情感的环状模型中[[25]]，情感的愉悦度由“效价”体现，而“唤醒度”则反映生理激活的程度或强度。研究表明，负面（低效价）且高唤醒度的情感状态，如压力或焦虑，往往伴随着较高的呼吸频率及不稳定的呼吸模式；而低唤醒度状态则通常表现为较为规律的呼吸[[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。人类的呼吸情况还能揭示异常呼吸或缺乏呼吸等紧急状况[[33]]，这可用于被动式室内健康监测。因此，呼吸频率的变化可作为可测量的生理信号，为构建以用户为中心的适应性室内系统提供支持。在本研究中，呼吸频率被用作反映唤醒度变化的单一情感维度，故被视为一种间接的生理指标，而非直接衡量或决定情感状态的指标。

近年来，毫米波雷达成为室内感测领域研究的重点。它们通过分析毫米波段反射的电磁波来获取信息，从而提供高分辨率的空间数据[[34]]。多项研究表明，毫米波雷达能够检测到人的存在、位置[[35]]、姿势[[36]]、活动类型[[37]]，甚至还能检测到呼吸频率和心率等生物标志物[[38]]。与基于摄像头的系统不同，雷达信号可以穿透家具和轻质隔墙，同时保护人们的隐私，因此非常适合用于需要共享空间的室内环境[[22], [39]]。此外，大多数室内环境中往往有多人同时存在，而要保障人们的舒适度，就需要根据每个人对光的不同反应来调整照明条件。在真实的室内环境中使用雷达传感器会面临诸多挑战，这些挑战可能会降低信号质量并增加误差，尤其是在有多人存在的场合。要真正实现情感感知型照明系统，感测系统必须能够可靠地检测房间内的人数、大致位置，并为每个人单独提取生理信息。此外，该系统还应能够区分不同的情感状态，从而为每种情况提供合适的照明。然而，目前大多数使用毫米波雷达的研究主要集中在人员检测与跟踪上，而非生理信号的提取[[40]]。那些研究利用雷达监测生命体征的工作大多针对单人场景[[37], [41]]，而少数研究尝试监测多人的呼吸频率，也主要侧重于方法论层面[[42]]，且通常要求参与者处于最佳位置，胸部能无障碍地朝向雷达[[43]]。因此，本文旨在探讨在中小型房间中，使用毫米波雷达作为无需摄像头且无需穿戴的感测系统，实现人员检测及最多两人的呼吸频率监测的可行性。实验设置包含了更为真实的场景，比如一人坐在另一人背后造成的部分遮挡，以及每位参与者面前放置的笔记本电脑带来的额外遮挡。不过，参与者仍保持面朝雷达的坐姿，允许有轻微的自然坐姿移动；较大的动作，如行走或重新调整姿势，以及不同的胸部朝向则未被纳入研究范围。此外，该研究还探讨了在不同自我报告的情绪状态下，呼吸频率是否存在差异，这一结果可能对以用户为中心的适应性照明系统具有参考价值。

最终目标是开发出用于情感响应型照明的控制方案，但这取决于能否对人员检测、相关调节信号及呼吸频率估算进行准确的描述与验证，同时还要深入分析它们与特定情感或情感类别之间的真实关联与虚假关联。本研究通过从基于机器人的控制实验逐步过渡到人类受试者实验，来评估毫米波雷达的可行性。机器人实验有助于系统地测试人员检测及呼吸频率估算的性能，而人类实验则能在更接近实际环境的条件下评估雷达的性能。

选择聚焦照明系统是基于两个原因。首先，照明系统本身已将人员检测作为核心功能，因此非常适合用来拓展感测能力，而不仅仅是检测是否有人存在。其次，照明对人的警觉性、情绪、生物节律及整体健康状况有着明确的视觉与非视觉影响，因此在以人为中心的建筑设计中起着核心作用。由于照明干预既能引发即时的生理和行为反应，也能产生长期影响，未来的适应性照明系统可能需要比单纯的人员存在状态更丰富的信息。在此背景下，基于雷达的呼吸及活动感测为这类系统的开发提供了良好的途径。同时，所提出的感测方法并非仅适用于照明领域，对于供暖、通风和空调等其他建筑系统也同样具有应用价值，因为这些系统也在逐渐向以人为中心的控制策略发展。