了得網醫學_人體生理信號的情感分析方法

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《人體生理信號的情感分析方法》適合自動化、電子信息專業的本科生和研究生閱讀，也可供從事情感計算等相關研究人員及工程技術人員參考。

內容簡介

情感計算的目的是通過賦予計算機識別、理解、表達和適應人的情感的能力來建立和諧的人機環境，並使計算機具有更高、更全面的智能。《人體生理信號的情感計算方法》結合國內外研究和課題組研究的工作情況，在介紹情感和情感計算等概念的基礎上，重點敘述人體生理信號的情感計算方法。《人體生理信號的情感計算方法》詳細闡述了研究工作的意義、情感模型的建立、生理信號的測量、情感數據的采集、情感狀態的識別和典型的應用等，使讀者對這一領域的研究工作有比較全面的了解和認識，對促進我國在該領域的研究工作具有積極作用。

《智能科學技術著作叢書》序
前言
第1章緒論
1.1 情感與情感計算
1.1.1 情感和情感理論
1.1.2 情緒分類與維度
1.1.3 情感計算
1.2 生理信號的情感計算意義
1.3 國內外研究與應用狀況
1.3.1 國外研究狀況
1.3.2 國內研究狀況
1.3.3 國內外應用狀況
1.4 情感的生理機制
1.4.1 大腦中樞機制《智能科學技術著作叢書》序

前言

第1章緒論

1.1 情感與情感計算

    1.1.1 情感和情感理論

    1.1.2 情緒分類與維度

    1.1.3 情感計算

1.2 生理信號的情感計算意義

1.3 國內外研究與應用狀況

    1.3.1 國外研究狀況

    1.3.2 國內研究狀況

    1.3.3 國內外應用狀況

1.4 情感的生理機制

    1.4.1 大腦中樞機制

    1.4.2 內分泌機制

    1.4.3 神經化學機制

1.5 常用生理信號與檢測

    1.5.1 生理信號檢測的歷史事件

    1.5.2 常用的8種生理信號分析

    1.5.3 需要注意的問題

1.6 總結與展望

參考文獻

第2章生理信號的情感計算模型

2.1 情感建模的可計算規則

2.2 基本情感論的情感模型

    2.2.1 Tomkins的情感模型

    2.2.2 Izard的情感模型

    2.2.3 Ekman的情感模型

    2.2.4 OCC的情感模型

2.3 維度空間論的情感模型

    2.3.1 情感的一維空間模型

    2.3.2 情感的二維空間模型

    2.3.3 情感的三維空間模型

    2.3.4 情感的高維空間模型

2.4 認知神經科學的情感模型

    2.4.1 情感相關聯的神經結構

    2.4.2 情感的認知神經學模型

2.5 總結與展望

參考文獻

第3章生理信號的測量繫統

    3.1 BIOPAC MP150的硬件繫統

    3.1.1 MP100A—CE數據

    3.1.2 MP的通用接口模塊

    3.1.3 MP的生理信號放大器和傳感器

3.2 BIOPAC MP150的軟件繫統

    3.2.1 繫統的配置

    3.2.2 AcqKnowledge概述

    3.2.3.AcqKnowledge菜單功能介紹

3.3 多參數生物反饋測量儀ProComp Infiniti

    3.3.1.ProComp Infiniti硬件基本繫統

    3.3.2.ProComp Infiniti的多種傳感器

    3.3.3 ProComp Infiniti的軟件繫統

3.4 Neuroscan腦電儀

    3.4.1 Neuroscan的硬件組成

    3.4.2 Neuroscan軟件包

3.5 生理信號采集設備的商業開發和應用

    3.5.1 Necomimi腦控貓耳朵

    3.5.2 腦立方——世界上首款注意力訓練產品

    3.5.3 心電芯片

3.6 總結與展望

參考文獻

第4章生理信號的情感數據采集方法

4.1 情感誘發方法

    4.1.1 情感材料誘發

    4.1.2 情感情境誘發

4.2 數據有效性分析方法

    4.2.1 誘發效果影響因素

    4.2.2 誘發效果評估方法

    4.2.3 生理數據可靠性分析

4.3 情感數據采集實例

    4.3.1 采集目標

    4.3.2 情感誘發方案

    4.3.3 數據采集流程

    4.3.4 情感誘發效果評估

    4.3.5 生理數據可靠性評估

    4.3.6 實驗小結

4.4 總結與展望

參考文獻

第5章生理信號的情感識別方法

5.1 接觸式生理信號情感識別的意義

    5.1.1 在情感心理生理科學研究中的意義

    5.1.2 在智能人機交互領域的研究意義

5.2 生理信號情感特征提取

    5.2.1 生理信號的傳統特征

    5.2.2 IBI和GSR的矩特征

    5.2.3 ECG信號的瞬時頻率和局部振蕩特征

    5.2.4 生理信號的非線性特征

    5.2.5 生理信號的時域局部尺度特征

5.3 生理信號情感特征選擇

    5.3.1 特征選擇的必要性

    5.3.2 二分類情感識別的特征選擇模型

    5.3.3 多種解空間搜索算法的特征選擇能力比較

    5.3.4 小結

5.4 情感識別模型的建立

    5.4.1 支持向量機分類器

    5.4.2 隨機森林分類器

5.5 總結與展望

參考文獻

第6章非接觸性的情感識別方法

6.1 非接觸性情感識別的意義

6.2 采用熱成像技術實現非接觸性的情感識別

    6.2.1 TI技術的基本概念

    6.2.2 基於熱成像技術識別人類情感

6.3 采用高光譜技術實現非接觸性的情感識別

    6.3.1 高光譜成像技術

    6.3.2 基於高光譜成像技術識別人類情感的優勢

    6.3.3 高光譜成像技術識別人類情感現狀

6.4 總結與展望

參考文獻

第7章典型的應用繫統及展望

7.1 情感機器人

    7.1.1 早稻田大學情感機器人KOBIAN

    7.1.2 麻省理工學院媒體實驗室的Nexi

    7.1.3 我國情感機器人研究現狀

7.2 帶有情感交互功能的玩具和寵物

    7.2.1 AIBO機器狗

    7.2.2 日本世嘉公司Dog電子寵物狗

    7.2.3 BANDAI Smart Pet電子寵物狗

    7.2.4 騰訊小Q機器人

7.3 情感計算在健康監護中的應用

    7.3.1 情感計算在遠程家庭健康監護中的應用

    7.3.2 穿戴式遠程生理參數監護繫統

    7.3.3 基於多模態人機接口的智能輪椅

    7.3.4 基於無線技術的測量身體狀態的移動監視設備

    7.3.5 神念科技的腦波交互和注意力訓練產品

7.4 情感仿生代理

    7.4.1 基於仿生代理的多模人機情感交互繫統

    7.4.2 基於移動設備的仿生代理

7.5 基於情感計算的行為輔助繫統

    7.5.1 情感計算用於檢測司機疲勞

    7.5.2 智能駕駛

    7.5.3 情感計算用於提升用戶工作效率

7.6 情感計算的其他應用領域

    7.6.1 情感計算用於遊戲設計

    7.6.2 智能情感教學繫統

    7.6.3 自適應音樂譜曲繫統

    7.6.4 情感計算在電子商務中的應用

7.7 基於生理信號的情感調節繫統設計與實現

    7.7.1 情感調節的基礎理論

    7.7.2 音樂與情感調節

    7.7.3 情感交互繫統架構

7.8 總結與展望

參考文獻

彩圖

媒體評論

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第1章緒論
情感到底是什麼?是什麼原因誘發了情感?怎樣識別情感?情感可否加以計算?它在哪些方面具有實際的應用價值?一直以來,這些都是非常復雜和難以清晰回答的問題,情感理論學家至今也沒有達成明確一致的看法?如果情感可以計算或識別,那麼根據人的面部?姿態?聲音甚至文本信息,能不能真實而有效地識別出人類情感?進一步地,可否通過檢測和分析人體生理指標來識別出人類情感?這些問題在20年前,人們還隻能停留在一些想法上?隨著科技的快速進步,針對情感以及對情感信息的檢測?分析?識別?表達和應用這一話題,已經成為現在有關領域中研究者和技術開發者津津樂道的事情了?
20世紀60年代,美國的諾貝爾獎得主?著名心理學家Simon教授在論述關於認知的基礎時強調思維和問題解決的通用理論中必須包含感情的影響[1]?1991年,美國著名心理學家Lazarus也表達過同樣的觀點:“你難以相信,在研究心理現像或人與動物的適應行為時,能夠避而不談情緒的重要作用,那些忽視了這一點的理論和實踐心理學是落伍的,應該被淘汰”[2,3]?情感理論學家認為,情感作為一個強有力的促進因素大大影響著人們的感知?認知和創造力?神經科學?認知科學和心理學的一些研究結論也表明,情感在推理?學習?記憶?注意力?計劃和決策等方面扮演著關鍵角色,在特殊的情況下,甚至會成為決定性因素?生活中的許多現像和事實也說明,情感占據了人們大部分的精神生活,常常左右著人們的行為選擇,是人們生存和生活中的重要精神資源?人們常常告誡自己和他人避免“感情用事”就是很好的例證?不少學者還認為,情感能力應該是人類智能的重要標志,領會?運用和表達情感的能力高低與智能密切相關,甚至發揮著比傳統的智力更為重要的作用?因此,人們對情感的交流備加重視?
如今,科技的發展使傳統的情感交流方式迅速地發生改變?人們越來越多地享受到了科技產品提供的便利服務,除了大家熟悉的計算機外,大量出現的智能電子產品(如智能手機)也在顯著地改變著人們的生活方式?問題是,人們越來越多的時間是在與機器而不是人本身打交道,進而減少了人與人之間的直接交流時間?易見的事實是,人們並不滿足於與冷冰冰的沒有情趣的電子產品簡單地打交道了,而是希望更多地擁有將情感化和智能化有機結合的計算機或智能電子產品,具備和人與人之間情感交流相符的功能,讓人們與機器的溝通更加和諧友好?正如美國圖靈獎獲得者?人工智能創始人之一?麻省理工學院的Minsky教授於1985年在他的專著The Society of Mind一書中指出的那樣:“問題不在於智能機器能否有任何情感,而在於機器實現智能時怎麼能夠沒有情感”[4]?可見,賦予計算機情感能力並讓計算機理解和表達情感是許多學者感興趣的話題,並逐步形成了新的研究方向?
1.1 情感與情感計算
情感或情緒是一個古老?復雜而非常有意義的話題,作為特有的心理現像,一直滲透在人類生存和生活的各個方面?要理解現今的人們為什麼積極地研究如何將情感運用於計算機等產品中,形成新的情感計算研究方向,首先需要對情感的概念與相關理論有一定的了解?第1章緒論

情感到底是什麼?是什麼原因誘發了情感?怎樣識別情感?情感可否加以計算?它在哪些方面具有實際的應用價值?一直以來,這些都是非常復雜和難以清晰回答的問題,情感理論學家至今也沒有達成明確一致的看法?如果情感可以計算或識別,那麼根據人的面部?姿態?聲音甚至文本信息,能不能真實而有效地識別出人類情感?進一步地,可否通過檢測和分析人體生理指標來識別出人類情感?這些問題在20年前,人們還隻能停留在一些想法上?隨著科技的快速進步,針對情感以及對情感信息的檢測?分析?識別?表達和應用這一話題,已經成為現在有關領域中研究者和技術開發者津津樂道的事情了?

20世紀60年代,美國的諾貝爾獎得主?著名心理學家Simon教授在論述關於認知的基礎時強調思維和問題解決的通用理論中必須包含感情的影響[1]?1991年,美國著名心理學家Lazarus也表達過同樣的觀點:“你難以相信,在研究心理現像或人與動物的適應行為時,能夠避而不談情緒的重要作用,那些忽視了這一點的理論和實踐心理學是落伍的,應該被淘汰”[2,3]?情感理論學家認為,情感作為一個強有力的促進因素大大影響著人們的感知?認知和創造力?神經科學?認知科學和心理學的一些研究結論也表明,情感在推理?學習?記憶?注意力?計劃和決策等方面扮演著關鍵角色,在特殊的情況下,甚至會成為決定性因素?生活中的許多現像和事實也說明,情感占據了人們大部分的精神生活,常常左右著人們的行為選擇,是人們生存和生活中的重要精神資源?人們常常告誡自己和他人避免“感情用事”就是很好的例證?不少學者還認為,情感能力應該是人類智能的重要標志,領會?運用和表達情感的能力高低與智能密切相關,甚至發揮著比傳統的智力更為重要的作用?因此,人們對情感的交流備加重視?

如今,科技的發展使傳統的情感交流方式迅速地發生改變?人們越來越多地享受到了科技產品提供的便利服務,除了大家熟悉的計算機外,大量出現的智能電子產品(如智能手機)也在顯著地改變著人們的生活方式?問題是,人們越來越多的時間是在與機器而不是人本身打交道,進而減少了人與人之間的直接交流時間?易見的事實是,人們並不滿足於與冷冰冰的沒有情趣的電子產品簡單地打交道了,而是希望更多地擁有將情感化和智能化有機結合的計算機或智能電子產品,具備和人與人之間情感交流相符的功能,讓人們與機器的溝通更加和諧友好?正如美國圖靈獎獲得者?人工智能創始人之一?麻省理工學院的Minsky教授於1985年在他的專著The Society of Mind一書中指出的那樣:“問題不在於智能機器能否有任何情感,而在於機器實現智能時怎麼能夠沒有情感”[4]?可見,賦予計算機情感能力並讓計算機理解和表達情感是許多學者感興趣的話題,並逐步形成了新的研究方向?

1.1 情感與情感計算

情感或情緒是一個古老?復雜而非常有意義的話題,作為特有的心理現像,一直滲透在人類生存和生活的各個方面?要理解現今的人們為什麼積極地研究如何將情感運用於計算機等產品中,形成新的情感計算研究方向,首先需要對情感的概念與相關理論有一定的了解?

1.1.1 情感和情感理論

情感或情緒既是染色劑,又是催化劑,它使人們的生活變得豐富多彩?積極的情感或情緒是人們獲得成功和幸福的動力,消極的情感則是人們力求避免的?人的一生就是在情感或情緒的海洋中沉浮,在色彩斑斕的情感生活中品位人生?情感滲透在生活之中,人們所說所做的每一件事情均包含著情感的成分?情感或情緒反映在生理活動之中,反映在表達方式之中,反映在個體行為之中;它與人相生相伴;它跨越文化,將人與人聯繫了起來?圖1.1就是人類典型的一些情感或情緒的外在表現?由於情感或情緒的復雜性,研究情感或情緒的倫理學家對情感的定義至今也未達成一致的意見,記載的相關理論就有150多種[5]?

圖1.1 人類典型情感或情緒的外在表現[6]

心理學家在研究中通常使用情感和情緒等詞語來描述相關現像?心理學家對其概念是有所區別的,但它們又是密切聯繫的[7]?其區別主要體現在產生的基礎和特征表現上?首先,情緒多與人的生理性需要相聯繫,情感多與人的社會性需要相聯繫,情緒是人和動物共有的,但情感隻有人纔會有?其次,情緒具有情境性和暫時性,情感則具有深刻性和穩定性,情緒很難持久,情感可以說是在多次情緒體驗的基礎上形成的穩定的態度體驗?情感特征常被作為人的個性和道德品質評價的重要方面,情緒具有衝動性和明顯的外部表現,情感則比較內隱?人在情緒左右下常常不能自控,高興時手舞足蹈,郁悶時垂頭喪氣,憤怒時又暴跳如雷,而情感更多的是內心的體驗,深沉而且久遠,不輕易流露出來?情緒和情感又是密切聯繫的?情感是在多次情緒體驗的基礎上形成的,並通過情緒表現出來;反過來,情緒的表現和變化又受已形成的情感的制約?當人們進行一項工作時,總是體驗到輕松?愉快,時間長了,就會愛上這一行;反過來,當他們對工作建立起深厚的感情之後,會因工作的出色完成而欣喜,也會因為工作中的疏漏而傷心?可見,二者密不可分,在日常生活中並不嚴格區分?就情感或情緒的含義來說,當代心理學家一般認為它們是人對客觀事物的態度體驗和相應的行為反應,由主觀體驗?外部表現和生理喚醒三部分組成,情緒是情感的外部表現,情感是情緒的本質內容?因此,在以後的敘述中,為了與情感計算研究領域的描述保持一致,本書除了在敘述心理學理論與其保持一致外,盡可能避免使用感情?感覺或情緒等詞,即對情感和情緒並不加以區分,更多地統一使用情感一詞?

情感或情緒體驗同時伴有生理和心理兩種過程,不同的心理學流派和心理學家對情緒的產生和理解有不同的角度和研究方法,因而產生了許多不同的觀點,進而形成了各種情緒理論?下面概括介紹一百年來情緒研究發展史上產生廣泛影響的主要理論觀點和主要代表人物?

19世紀80年代,美國心理學家James和丹麥生理學家Lange分別提出內容相同的一種情緒理論[8-14]?他們強調情緒的產生是植物性神經活動的產物?後人稱為情緒的外周理論(即James-Lange理論),即情緒刺激引起身體的生理反應,而生理反應進一步導致情緒體驗的產生?James提出情緒是對身體變化的知覺?在他看來,是先有機體的生理變化,之後纔有情緒體驗?所以,悲傷是由個體對哭泣的感知引起的,恐懼則由個體對身體戰栗的感知引起的?Lange認為情緒是內髒活動的結果?他特別強調情緒與血管變化的關繫?James-Lange理論看到了情緒與機體變化的直接關繫,強調了植物性神經繫統在情緒產生中的作用?但他們片面強調植物性神經繫統的作用,忽視了中樞神經繫統的調節?控制作用,因而引起了很多的爭議?

針對James-Lange理論的缺點,1929年,生理學家Cannom和Bard提出了不同的觀點,稱為情感的下丘腦理論(即Cannom-Bard理論)[15]?他們認為,當人們感知到促使情緒產生的刺激後,丘腦首先被激活,接著丘腦把信號傳遞給自主神經繫統,由此產生生理反應?後來人們知道,不是丘腦而是下丘腦和邊緣繫統在情緒體驗中發揮主要作用?不久後的1937年,神經生理學家Papez繫統地闡述了一個包括情緒行為與情緒體驗的復合神經結構[16],這是一組通過神經束聯繫在一起的由4個基本結構———下丘腦及其乳頭體?丘腦前核?扣帶回和海馬一起構成一個Papez環路?Papez認為,情緒過程建立在海馬起源於新皮層的神經活動傳入海馬,海馬受到刺激,其衝動通過胼胝體下的白色纖維接力到下丘腦的乳頭體,興奮從下丘腦傳遞到丘腦前核,並上行到大腦內邊界的扣帶回,再回到海馬,完成這一環路?興奮在這一環路上經扣帶回擴散到大腦皮層,衝動在這裡附加於意識上,產生情緒體驗?1949年,心理學家MacLean研究和擴展了Papez學說[17],他添上了杏仁核,強調海馬的重要性,並認為扣帶回是次要的,如圖1.2所示?

圖1.2 Papez環路[18]

1952年,MacLean正式提出邊緣繫統這一術語,就是指那些由前腦古皮質?舊皮質演變而來的結構,以及與這些結構具有密切組織學聯繫並位於附近的神經核團?邊緣繫統包括扣帶回?眶回?胼胝體下回?梨狀區?海馬回?杏仁核?隔區?下丘腦?乳頭體等大腦部分和神經核團?可以認為,邊緣繫統是腦基底成分的一個相互聯繫的復合體,位於所有這些結構的中心是下丘腦?從機能上看,下丘腦被認為是邊緣繫統的一個中心成分?MacLean認為,情緒過程是由皮下機構調節的,而對情緒性質的評價?認識過程則由大腦皮層完成?因此,隻有當皮層下部位輸入的神經衝動經過邊緣繫統整合,並同皮層活動聯繫起來時,纔是情緒產生的完整機制———大腦皮層促成情緒體驗,下丘腦促成情緒表現?1954年,美國心理學家Arnold提出了情緒的評定———興奮學說,她認為情緒與個體對客觀事物的評價相關聯,這種評價是在大腦皮層上進行的,情緒反應的序列應當是情景—評價—情感?既然情緒的來源是對情景的評估,而認識與評估都是皮層過程,因此皮層興奮是情感的主要原因?1962年,美國心理學家Schachter和Singer提出了情緒的認知理論(即Schachter-Singer)[19],認為情緒受環境?生理喚醒和認知過程三種因素制約,其中認知因素對情緒的產生起關鍵作用?該理論還表明,至少在某些情況下,情緒體驗是由生理喚醒和對喚醒的理解共同決定的,當生理喚醒的來源不清楚時,可以參考環境來決定人們的體驗是什麼?

此外,Duffy、Lindsley、Panksepp、Scherer、Plutchik、Leventhal、Lazarus、Tomkins、Mandler、Lzard等學者均提出了不同的情緒理論?Strongman在其專著The Psycholygy of Emotino-From Everyday Life to Theory(Fifth Edition)中就囊括了150餘種情緒理論[5]?這些眾多的學說說明了情緒的生理與心理機制是相當復雜的?雖然至今對情緒沒有取得完全統一的定義,但眾多的學者已從心理學?現像學?行為學?生理學?認知科學?社會學?臨床醫學乃至哲學等領域進行了廣泛而深入的研究,已經取得了巨大進展?隨著情緒觀點的發展,有理由相信新的理論能提供更完整的解釋?隨著對情緒認識的不斷深入,把關於情緒的知識應用於實際問題是完全可以期盼的?

1.1.2 情緒分類與維度

心理學家通常持基本情緒論和維度情感論這兩種觀點對情緒進行研究[18]?基本情緒論認為,情緒在發生上具有原型形式,即存在著數種人類的基本情緒類型?每種類型各有其獨特的體驗特性?生理喚醒模式和外顯模式,其不同形式的組合形成了所有的人類情感?維度論觀點認為,情感具有多維度結構,維度是情緒的一種特性?若干維度組成的空間囊括了人類的所有情緒?情感的表示可以看成具有信息度量的多維空間的點在情感空間中的映射,情感計算的基礎就是找到這個映射?維度論者把不同情緒看成逐漸的?平穩的轉變,不同情緒之間的相似性和差異性是根據彼此在維度空間中的距離顯示的?基本情緒論和維度情感論也許並不是矛盾的,承認人類確實存在著先天的?非學習得到的基本情感,並不代表著一定要否認正負情緒的分離?不過兩者代表了情緒繫統中的不同層次,維度位於情緒繫統的基層,與機體生存有關的趨避活動密切相關?對於一切生物,情感的原型形式也許隻有兩種,即快樂和不快樂?隨著不斷進化,在個體與環境交互作用過程中,情感繫統變得越來越細化,一直到人類,情感高度分化?正的情感分化為快樂?喜歡?愛等,負的情感分化為厭惡?憤怒?恐懼和憂愁?悲傷和痛苦等?新生兒也許隻有基本情感,但隨著時間的推移?後天環境和學習的影響,情緒變得更為繫統化和復雜化,新的情緒類型不斷增加,如羞恥和尷尬等?而這樣的生物進化和個體發展過程與神經繫統的不斷進化和發育是分不開的,這就說明情感不是先天基因或後天環境單獨決定的,而是受兩者的共同影響?

1.情緒分類

如何對情緒進行正確分類,在心理學界一直以來都是一個有爭議的話題?我國自古就有“喜?怒?哀?樂?悲?恐?驚”七情的說法,而西方心理學家則持兩種觀點?種觀點認為,情緒可以被劃分為完全割裂的幾大類;第二種觀點認

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