基于脑电信号的诱发情绪识别

论文总字数：18606字

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究目的及意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 2

第2章 情绪识别理论基础及情绪的诱发 2

2.1情绪识别理论基础 3

2.1.1情绪的生理基础 3

2.1.2脑电的理论基础 3

2.2 情绪的分类模型 4

2.3 情绪的诱发 5

第3章 脑电信号的采集和显示设备 7

3.1脑电信号的采集设备 7

3.1.1 TGAM脑电模块 7

3.1.2 UartAssist串口工具 7

3.2脑电信号的显示设备 8

3.2.1 MindViewer脑波观察软件 8

3.2.2自制简易界面 9

第4章 诱发情绪实验设计 9

4.1实验诱发的目标情绪 9

4.2实验对象被试的筛选 10

4.3实验诱发素材的选择 10

4.4实验流程 12

第5章 脑电信号数据分析 13

5.1 MindViewer下的脑波特征简要分析 13

5.2 UartAssist串口返回数据分析 14

5.3情绪识别 17

第6章 总结与展望 20

参考文献： 21

致谢 22

基于脑电信号的诱发情绪识别

吕江建

, China

Abstract: With the development of the equipment production technology of EEG acquisition, EEG is applied more widely and commonly in people's real life and emotion recognition based on EEG has become an important research topic. This paper mainly focuses on how to use the brain electrical signal divice to recognize the mood induced by videos.At the same time, based on the field of neurophysiological mechanism for emotional inquiry as the foundation, and through the feature selection, we can found some brain electrical bands and regionsins have important influence on emotion recognition,so that some eeg signals related to emotional can get better performance. At first, this paper establish a video database which covers four goals emotions to evoke video moods, and on this basis, designed two types of trigger mode(silent video and audio video),then through to the 20 participants in two trigger mode frequency domain characteristics analysis of EEG signals, found the stronger separability brain electrical characteristics concentrated in the beta band and gamma band, and it can be used to clearly distinguish the difference between induced emotions.

Key word:Emotion model; Emotion elicitation; EEG; Feature analysis

1 绪论

1.1引言

所谓情绪，指的是包含着人的生理反应，思维活动和行为动作的一种综合状态，它普遍存在于人的日常生活及工作中，人类感知事物、思考学习、生产创造等活动都和情绪有着千丝万缕的关系。如图1.1，显示了一些人们常常能感觉到的情绪，譬如愉悦、恐惧、忧伤、惊讶、平静、愤怒等。

情绪作为人脑的一种高级功能，是人类智能的一项重要构成，同时还是个性特征和心理病理的关键因素。人们展现出来的复杂微妙的表情、举手投足的动作，抑扬顿挫的话语都在传达着人的情绪，除此以外，一些内在的生理指标，如心电、脑电、肤电、血压、瞳孔直径等无时无刻不也在确实地体现着人的情绪。

通过分析这些外在途径和内里的生理指标来推断人的情绪状态即是情绪识别。情绪的外在表现途径如脸部表情、肢体动作、话音等在人的主观影响下表现不稳定，相对地，由于仅有人的神经系统和内分泌系统作用于内里的生理指标，故能正确、实际地表征人的情绪的动态变化，从而能更为科学准确地进行研究。基于对生理信号与情绪两者关系的多年研究，美国Picard教授和他的团队实践并证明了于生理信号里获得的特征参数完全可以用于情绪识别的研究^[1]。

本文除了将简单介绍目前国内外以脑电信号为基础的情绪识别研究现状及其发展趋势，还将介绍情绪以及脑电的生理机制和理论基础。之后，则会从情绪的诱发方法及实验设计、EEG的采集及分析处理等多方面进行介绍。

图1.1 人类的各种情绪

1.2研究目的及意义

情绪识别研究是通过观测人体生理特征信号，提取相关特征参数，找到并发现它们在不同情绪下所呈现的规律以确定人的情绪状态。相较于呼吸、血压、皮肤阻抗、脉搏频率等外周信号，作为中枢神经生理信号的脑电信号，往往与情绪有更加紧密的关联。总之，情绪识别研究于理论于现实应用都具有重要的意义。

譬如在人机交互领域，为了营造出灵敏、友好的人机环境，需要交互软件对人的情绪能够做出更快更好的识别，以期提高交互过程的流畅度。在驾驶安全领域，为了预防和减少司机在极端情绪下可能造成的安全隐患，也需要对司机的情绪进行监测和识别，并作出相应的辅助措施。在医疗健康领域，情绪的生理模式识别的应用能够帮助医生对患者的情绪状态进行科学的量化和评估。在军事航空领域，情绪识别技术使得指挥官能够实时地了解作业战士的精神状态，这不仅可以避免消极情绪积累而影响作战任务，更可避免不必要的伤亡和财产损失。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

由于西方现代科学技术的发展相对较早，理论支持和实验设备都比较完善，因此在情绪识别方面的研究更为先进。而在基于脑电信号的情绪识别研究中，研究者们关注的重点是对脑电信号的特征进行提取。众多的研究者们以大量的实践与尝试为立足基础，加之对系统神经学的相关成果的运用，最终找到了能够很好地识别和区分情绪的脑电特征。

Park等人分析了脑电的频段特性，尤其重点针对了脑电的不对称性和相干性开展情绪识别实验，实验结果显示对负向情绪达到了66.3%的识别率。

Murugappan等人从脑电信号中提取出多解析度的脑波特征，聚合了恐惧、高兴、厌恶三种情绪，研究发现Alpha频带上的脑电信号能够很好区分这三种情绪。在后续研究中，Murugappan又尝试提取了另外两种不同的脑电特征，增加了可分类情绪的种别，对情绪进行了惊讶、恐惧、高兴、愤怒、厌恶、悲伤的分类^[2]。

Li等人则指出在Gamma频带上的脑电信号对愉悦和悲伤这两种情绪有着很高的时间解析度。

Nie等人的研究又表明大脑枕叶及顶叶的Alpha频段、中心点的Beta频段以及左右额叶的Gamma频带在情绪识别上分类效果突出^[3]。

1.3.2国内研究现状

在我国国内，情绪识别的相关研究起步相对晚些，但也取得了很好的进展。

清华大学的脑电研究中心主要研究语音方面，尤其针对了使用范围最广的汉语普通话进行研究。江苏大学则是建立了本土的情绪数据库，通过将实验对象的面部表情、肢体动作、试后反馈与数据库中的已有数据进行比对分析，识别率逐渐达到了85.3%。山东大学的现代脑电研究所则是通过对脑电信号的非线性特征进行提取，发现脑电信号的多模态特征组合在情绪识别方面效果很好，并将研究成果成功应用到基于微情绪识别、语音识别的手机客户端软件上。复旦大学则是通过在全国范围内分地区地抽取样本，以此进行地域性情差异研究，以求发现一定地域内居民的性情是否在整体上存在共性，该项研究不仅具有科学意义，同时也具有文化意义^[4]。

2 情绪识别理论基础及情绪的诱发

2.1情绪识别理论基础

2.1.1情绪的生理基础

美国著名的心理学奠基人James在1884年发表文章《帮助确认情绪的几个特征》，并在文章中第一次给出了情绪的定义：情绪是人们在事件发生时对身体变化的感觉，先有身体的变化后有情绪的感知，为以后针对情绪的研究指明了方向。1885年，Lange发表了几乎一样的观点，情绪理论学上习惯地把他们二人的研究合称为James-Lange理论^[5]。

1929年，Cannon提出真正决定情绪性质控制着情绪体验和相应行为的是中枢脑区。1937年，Papez提出来一种新的情绪理论：Papez环路，在他的理论中情绪不从属于任何特定的脑区。他认为情绪的产生过程自海马始，每当海马受到刺激，神经冲动会由海马传到下丘脑，再将兴奋感传到丘脑前核，最后再经由扣带回传至海马，在这一环路过程情绪体验得以产生。后来MacLean对该学说进行了修订，在丘脑之外还添加了杏核体，认为杏核体对Papez环路具有一定的促进作用。Papez-MacLean理论对前人之于情绪的研究结果进行了综合，同时为后来者继续从事情绪方面的研究奠定了理论基础^[6]。

2.1.2脑电的理论基础

大脑是人体最为重要也最为复杂的器官，隶属于人的神经中枢系统。主要包括大脑的两个半球，小脑和脑干三个部分。其中大脑又可以分为主要的三个部分：脑核，脑缘系统，大脑皮质。大脑由前向后可纵裂地分为左右两个大脑半球，每个半球又都分为额叶（语言区）,颞叶（听觉区）、顶叶（体感区）、枕叶（视觉区），各自掌控着不同的大脑功能^[7]。如下图所示，图2.1和图2.2分别为大脑的基本结构图和功能图。

图2.1 大脑的基本机构图 图2.2 大脑的功能图

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