基于心电信号的情绪生理特征响应研究

论文总字数：19038字

目 录

1.绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

2. 情绪的概念及分类 2

2.1情绪基本理论 2

2.2 情绪分类 2

2.3生理特征响应方式 2

2.3.1非电信号 2

2.3.2 电信号 2

3. 心电信号的分析与采集 3

3.1心电图的基本分析 3

3.2硬件部分 4

3.3软件部分 6

3.4心电采集模块测试 7

3.5心电信号采集实验 8

3.5.1情绪诱发方式 8

3.5.2实验准备 9

3.5.3实验实施过程 10

4. 基于心电信号的情绪生理特征响应研究 11

4.1心电信号采集结果 11

4.1.1平缓状态下的心电信号数据 11

4.1.2快乐情绪状态下的心电信号数据 12

4.1.3悲伤情绪状态下的心电信号参数 13

4.1.4恐惧情绪状态下的心电信号参数 15

4.1.5愤怒情绪状态下的心电信号参数 16

4.2实验总体分析与成果 17

5. 总结与展望 19

参考文献 19

致谢 19

基于心电信号的情绪生理特征响应研究

陈力

,China

Abstract: This design is to study the effects of different emotions on physiological indexes, chose the ECG signal is a physiological indexes.Induced by audio, video and other volunteers of happiness, sadness, fear and anger, and the collection of ECG signal acquisition device is adopted volunteers of ECG signals.Through the heart rate, respiratory rate, relaxation degree and heart rate variation is studied.Through the analysis research,relative to the flat state, the people in a happy mood, the average heart rate increased by 0.06 ~ 0.11, respiratory rate and relaxation degree is slightly reduced;when in a sad mood, the average heart rate increased by 0.12 ~ 0.17, respiratory rate and relaxation degree than there are falling under the happy mood;When in a state of fear, the average heart rate reduced 0.05 ~ 0.08, a significant reduction in the respiratory rate and tension;when in a state of anger, a marked increase in the average heart rate, reached 0.29 ~ 0.35, a marked increase in the respiration rate, physical relaxation degree down significantly.Through this research, can be clearly observed significant changes of different mood and determined signal, good implementation of emotion recognition and analysis.Aspects of development in the future, we can through the ECG signal to achieve emotional recognition, realize the mood of the monitoring to the human body, better human emotions, let robot achieve better man-machine interaction experience.

Keyword: Emotion recognition；The physiological response；ECG signal

1.绪论

1.1课题目的及研究意义

情绪反应了人的感觉，思想和行为，包括人对各种外界刺激和或自身刺激的反应，不同情绪的心理反应会产生不同的生理特征响应。现如今，随着科学技术的日新月异，情绪识别在医疗、刑侦等各个领域发挥着越来越重要的作用。在医疗方面，如果可以了解到患者尤其是具有沟通障碍的患者的情绪，医护人员就可以对其不同的情绪采取不同的治疗、护理的方式。在刑侦方面，可以通过辨别犯罪嫌疑人的情绪，了解到嫌疑人的心理，对案件的进展起到辅助的作用。在人机交互的系统中，情绪的有效识别很直接的对用户的体验起到了很深远的影响。

本课题基于现代的情绪分类和识别理论，将情绪分类，通过测量不同情绪下志愿者的心电信号，来得出不同情绪下的心电数据的显著差异，从而通过对心电信号的分析实现情绪的有效识别。

1.2国内外发展研究现状

情绪识别和情感计算是高度综合化得一个全新的研究领域，它的目的是给予计算机识别理解人类的情绪，来实现人机环境的更好的和谐和发展^[1]。通过这些，使得计算机的智能化迈向一个新的台阶。情绪识别的研究内容很宽泛，包括对人的动作，表情，声音以及生理信号等方面。其中生理特征响应存在可靠、难以伪造的优势，以生理特征响应来进行情绪的识别成为一个重点的方向。

现如今国内外很多研究人员对情绪识别都有一定的研究，但是大多集中于面部表情以及肢体动作方面，研究的手段相对匮乏，研究的领域也比较狭隘。

国内的研究专家如天津理工大学的荀立晨选择了天津理工大学的学生作为数据收集的对象，情绪诱发使用了喜剧和悲剧的电影片段，采集完数据之后通过问卷调查对数据进行分类研究，通过数据的分析研究在快乐、悲伤两种情绪的识别上取得了很大的进展。

生理特征响应的特异性方面一直存在着较大的争议，Ekman等人通过大量的实验得出：至少对于某些情绪，生理特征响应存在特异性^[2]。Picard教授的MIT媒体实验小组通过采集1位表演艺术家特意去表现8种情绪的生理信号并且提取了特征值，得到了83%的情绪识别率，证明了情绪可以通过生理信号进行识别。

现如今有很多软件也实现了对情绪的有效识别，iPad上一款应用机器人Affdex通过其庞大的情绪数据库，对人类的面部表情进行分析，并有效识别出人的情绪。它的基础是Paul Ekman的《面部动作编码系统》 ，复杂的面部表情通过分解组合之后，给予其不同的代码，来对情绪进行精确的识别,如图1.1所示。

图1.1 面部动作编码示意图

1. 情绪的概念及分类

情绪，是由感觉、思想、行为动作产生的心理以及生理反应，一般的情绪有快乐、愤怒、悲伤、惊慌、思虑、恐惧等等。细腻一点的情绪如嫉妒、羞愧、骄傲等等。

2.1情绪的基本理论

沙赫特的两因素情绪理论：美国心理学家沙赫特和辛格通过研究发现,情绪产生存在两个基本因素。个体必须体验到高度的生理唤醒。其次，个体在对生理特征响应产生知性的唤醒。

拉扎勒斯的认知－评价理论：该理论认为情绪产生于人与环境的相互作用。情绪不仅反映了外界刺激对自己心理生理的影响，也包括调节自己对刺激的反应程度^[3]。换而言之，情绪反映了个体对环境的直觉，并对此做出的反应。故而，人类需要不断的评估外界刺激与自身存在的关系。

冯特的三维论：冯特通过研究表明，情绪是由快乐-不快乐，激动-平缓，紧张-放松这三个维度组成的。每一个具体的情绪都能在这三个维度两级之间找到自己的位置。这一理论的贡献在于：（1）因为维度的确定，使得情绪可测量化，通过维度可以对情绪进行相对准确的评价；（2）奠定了情绪维度理论的基础。

伊扎德的四维理论： 伊扎德研究提出情绪存在四个维度，即欢乐度、紧张度、冲动度和确认度^[4]。快乐度表现出主观的欢乐体验，紧张度表现出情绪的生理激活反应程度，包括肌肉神经的动作抑制成分水平，冲动度表现出个体对事物出现的突然性，确信度体现了个体能够承受的感情程度。

情绪不仅是人的主观反应，也是人的客观的生理反应，是一种社会表达的形式，具有很强的目的性 。情绪一般认为由以下三种成分组成：

（1）情绪关乎到你自身的变化，而这些变化就是你表达情绪的方式。

（2）情绪关系到有意识的体验。

（3）情绪包括了自己的认知思想，表达出对客观事物的评价。

2.2 情绪的分类

关于情绪的分类，长期以来存在着许多种说法。在中国的古代存在着喜怒忧思悲恐惊着七种情绪的说法。而美国的心理学家Plutchik归结出八种基本情绪，包括悲伤、害怕、惊讶、接受、快乐、愤怒、紧张、憎恶。

人类的情绪存在成百上千的种类，除此之外还存在着许多分支别类以及更为细微的表述，情绪的微妙已经越来越不是人类语言所能表达的了。但是情绪存在着基本情绪，基本情绪就是情感的三原色，由此可以组合成成千上万中的情绪。美国加利福尼亚大学的心理学专家Paul Ekman的调查表明，人类的确存在着集中基本的核心的情绪。Ekman指出，人类存在的四种基本情绪（快乐，悲伤，恐惧，愤怒）所表现出来的特定的面部表情，为不同文化不同种族的人类所公认，这说明了情绪存在普遍性。

本次实验旨在通过测量志愿者快乐、悲伤、恐惧、愤怒这四种基本情绪下的心电信号来分析研究。

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