摘要：在智能系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和對(duì)人自身的認(rèn)識(shí)中，情緒識(shí)別擔(dān)負(fù)著越來越重要的角色。恐懼情緒是人的一種基本情緒，恐懼情緒識(shí)別的方法多種多樣，如人臉情緒識(shí)別、語音情緒識(shí)別、人體姿態(tài)情緒識(shí)別和人體生理信號(hào)情緒識(shí)別等。本文提出了使用體感網(wǎng)感知人的生理參數(shù)，采集尺脈位置的心跳脈搏振動(dòng)覺信息，再通過小波分析獲得情緒識(shí)別需要的特征組合，實(shí)現(xiàn)恐懼情緒與非恐懼情緒識(shí)別的方法。本文通過原型實(shí)驗(yàn)，結(jié)合人體皮膚電阻的同步恐懼情緒識(shí)別和主觀恐懼體驗(yàn)的報(bào)告，驗(yàn)證了恐懼體驗(yàn)識(shí)別的可靠性。

關(guān)鍵詞：恐懼情緒；情緒識(shí)別；體感網(wǎng)；脈搏信息；脈搏振動(dòng)覺

一、引言

恐懼是指人在面臨不得不面對(duì)的現(xiàn)實(shí)或想象中的危險(xiǎn)而無能為力時(shí)所產(chǎn)生的一種情緒體驗(yàn)。伴隨恐懼而來的生理感覺有心跳過快或過慢、血壓升高、盜汗、顫抖等應(yīng)激生理反應(yīng)。

恐懼并不一定是不好的事情，因?yàn)槟軐⒖謶值捏w驗(yàn)物化在大腦之中，我們的祖先才能“吃一塹、長一智”，面對(duì)猛虎長蛇聞風(fēng)而逃，對(duì)有毒的果子敬而遠(yuǎn)之。但是若恐懼的強(qiáng)度超過一定范圍，許多心理疾病便會(huì)由此而來。當(dāng)代社會(huì)生活中，恐懼情緒已導(dǎo)致各類恐懼癥，如感情恐懼癥、考試恐懼癥、婚姻恐懼癥和寵物恐懼癥等，并嚴(yán)重地影響了人們的正常生活。在軍事領(lǐng)域，人們以心理為戰(zhàn)場，有計(jì)劃地采用各種手段，運(yùn)用恐懼情緒對(duì)人的認(rèn)知、情緒和意志施加影響，打擊敵人的心志，剛強(qiáng)己方的心理。心理作戰(zhàn)已成為實(shí)現(xiàn)國家利益的一種戰(zhàn)略運(yùn)用，許多西方國家都把心理作戰(zhàn)納入了國家戰(zhàn)略體系。因此，我們需要更好地認(rèn)識(shí)和克服恐懼情緒。

情緒識(shí)別的方法多種多樣，如人臉情緒識(shí)別、語音情緒識(shí)別、人體姿態(tài)情緒識(shí)別和人體生理信號(hào)情緒識(shí)別等。通過中醫(yī)脈象也可以識(shí)別情緒，因?yàn)橹嗅t(yī)心理脈象能從植物神經(jīng)系統(tǒng)所反映的情緒活動(dòng)脈象上直接感知情緒狀態(tài)。然而在實(shí)際操作層面上，傳統(tǒng)的心理脈象信息是通過中醫(yī)的手直接感知的，具有難以傳承、難以傳播和主觀性強(qiáng)的特點(diǎn)。本研究在吸取中醫(yī)精髓的同時(shí)，依據(jù)生物全息化的概念，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段采集脈搏振動(dòng)覺信息并進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了通過脈搏的自動(dòng)情緒識(shí)別。

二、生理參數(shù)情緒識(shí)別的理論基礎(chǔ)

1.皮膚電阻心理學(xué)特征

1890年，托肯諾夫（Tarchanoff）研究認(rèn)為，機(jī)體在接收視、聽、痛等感覺刺激及情緒激動(dòng)時(shí)，皮膚兩點(diǎn)之間的電位差增大，電阻降低，這種現(xiàn)象即皮膚電反應(yīng)。皮膚電反應(yīng)往往伴隨于心理活動(dòng)過程中，所以又被稱為心理皮膚電反射。皮膚電阻（dermal resistance）是心理現(xiàn)象外顯的一種表現(xiàn)形式，心理學(xué)家應(yīng)用皮膚電阻測量神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)已有很久的歷史。皮膚電阻和情緒的密切關(guān)系已經(jīng)得到證實(shí)，對(duì)于情緒這一難以監(jiān)測的心理活動(dòng)，利用皮膚電阻這個(gè)間接手段進(jìn)行測定成為了最有效的方法。皮膚電阻變化的絕對(duì)值代表了應(yīng)激狀態(tài)下交感神經(jīng)的活動(dòng)程度，可能受到機(jī)體生理狀態(tài)及交感神經(jīng)興奮性的影響。

Kuno研究表明，人體的活動(dòng)汗腺以四肢內(nèi)側(cè)面最少，而手腳掌為“精神性出汗區(qū)”，其汗腺功能與身體其他部位的體溫調(diào)節(jié)性出汗不同，主要對(duì)精神性活動(dòng)或感覺刺激敏感。當(dāng)人們情緒變化時(shí)，交感神經(jīng)活動(dòng)度發(fā)生變化，汗腺分泌活動(dòng)改變，皮膚的導(dǎo)電性也發(fā)生變化，因此可將皮膚電阻作為反映交感神經(jīng)活動(dòng)水平和情緒緊張度的指標(biāo)。皮膚電阻傳感器有兩個(gè)電極，分別貼在食指和中指上作為測試部位。

2.脈搏信息心理學(xué)基礎(chǔ)

依據(jù)張穎清在20世紀(jì)80年代初提出的“生物體每一相對(duì)獨(dú)立的部分在化學(xué)組成的模式上與整體相同，是整體成比例的縮小”命題，壽小云教授提出了通過脈搏信息感知心理情緒狀態(tài)的心理脈象理論。按照生物全息律的觀點(diǎn)，寸口脈作為一個(gè)獨(dú)立的演化部位，將攜帶整個(gè)機(jī)體的全部信息。心理脈象的信息特征主要表現(xiàn)為脈象振動(dòng)覺和局部組織形態(tài)學(xué)的改變。

人體各種感覺器官在接受外界刺激后，會(huì)產(chǎn)生一系列神經(jīng)沖動(dòng)，這些神經(jīng)沖動(dòng)一部分經(jīng)過傳入神經(jīng)投射到大腦皮質(zhì)感覺中樞產(chǎn)生特定感覺，另一部分則沿傳入神經(jīng)通路投射到大腦皮質(zhì)下中樞的邊緣系統(tǒng)，在那里發(fā)生非特異性反射。這種反射的結(jié)果，一方面產(chǎn)生心理效應(yīng)，另一方面通過植物神經(jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生心理情緒的外周效應(yīng)。心理情緒的外周效應(yīng)對(duì)脈象一般形態(tài)特征的影響與調(diào)節(jié)，主要是由植物神經(jīng)、內(nèi)分泌激素及心血管血液動(dòng)力學(xué)的變化與調(diào)節(jié)所控制。這種調(diào)節(jié)基本是一種宏觀調(diào)節(jié)，它使脈象的總體攜帶有心理情緒的特征，并反應(yīng)了心臟、血管、血液、神經(jīng)、內(nèi)分泌等多系統(tǒng)的信息。心理情緒外周效應(yīng)對(duì)主體脈搏特征的影響，主要表現(xiàn)為對(duì)脈象振動(dòng)成分的影響，使脈搏頻譜和脈搏特征出現(xiàn)變異現(xiàn)象，從而攜帶該種情緒的頻率特征。

三、采集系統(tǒng)構(gòu)建

脈搏信息采集系統(tǒng)是本研究設(shè)計(jì)的采集尺脈位置的脈搏振動(dòng)覺信息的裝置系統(tǒng)，由采集模塊、片上處理模塊、無線傳輸模塊等組成。采集模塊傳感器有皮膚電阻傳感器和壓電脈搏傳感器，采用AVR的處理器，84 MHz晶振，能快速進(jìn)行運(yùn)算放大和AD采樣。此壓電脈搏傳感器采用高度集成化工藝，將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)部，使其具有靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過載能力大、一致性好、性能穩(wěn)定可靠等特性。無線傳輸模塊采用WIFI實(shí)現(xiàn)，將采集的實(shí)時(shí)信息傳到上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行情緒的識(shí)別。傳感器的模塊及嵌入式系統(tǒng)如圖1所示。

四、基于小波分析的情緒識(shí)別

小波分析是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，它是泛函分析、Fourier分析、樣條分析、數(shù)值分析的完美結(jié)晶。與Fourier變換相比，小波變換是空間（時(shí)間）和頻率的局部變換，因而能有效地從信號(hào)中提取信息。

本研究采用比利時(shí)女?dāng)?shù)學(xué)家Ingrid Daubechies創(chuàng)造的Daubechies小波系來分析一維離散信號(hào)。Daubechies小波系是一系列二進(jìn)制小波的總稱，小波函數(shù)與尺度函數(shù)的有效支撐長度為2N-1。N為小波的階數(shù)，N值取為2，3，……，10。當(dāng)N取1時(shí)便成為Haar小波。除一階小波外，其他階小波都沒有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，Daubechies小波系的尺度函數(shù)和相應(yīng)的小波函數(shù)通常由二尺度方程式（1）和小波方程（2）構(gòu)造出來，以數(shù)表和曲線的方式給出。

通過小波分析，提取隱埋于其中的特征信息，并將所獲得的多種特征信息進(jìn)行系統(tǒng)層面上的綜合集成，則可以辨識(shí)出情緒所處狀態(tài)。它能從某些表面上看不出含有多少信息的人體電阻和脈搏信息的輸出數(shù)據(jù)中辨識(shí)出許多深埋在其中的情緒識(shí)別特征信息，為基于多源信息融合的情緒識(shí)別提供支持。

美國科幻驚悚電影《劇毒蜘蛛》（Spiders）是一部以巨型毒蜘蛛為載體激發(fā)人體恐懼感的電影，影片中既有輕松愉快的片段，又有小孩頑皮的片段，既有巨型毒蜘蛛吃人和變異的恐怖情節(jié)，又有家庭成員之間絕不放棄的故事，所以本部影片中具有多種情緒激勵(lì)源。通過對(duì)不同的人觀看《劇毒蜘蛛》電影激發(fā)的情緒體驗(yàn)所引起的生理參數(shù)變化來識(shí)別情緒，所測得的生理參數(shù)變化具有多種情緒變化的趨勢。圖2和圖3分別是皮膚電阻與脈搏傳感器電壓的時(shí)間曲線圖，多人的曲線有基本一致的圖形包絡(luò)。因此通過結(jié)合人體電阻變化與脈搏信息，對(duì)人的恐懼感進(jìn)行識(shí)別的方法具有一定的普適性。

如圖4所示，可以看到在圖中橫坐標(biāo)0.75左右（即1500s）的位置，人體皮膚電阻有一個(gè)階躍式的降低，這與恐怖情節(jié)的主觀報(bào)告時(shí)間節(jié)點(diǎn)基本一致，印證了人恐懼時(shí)皮膚電阻急劇變小的理論。

依據(jù)壽小云教授的心理脈象學(xué)理論，在人感受到恐懼時(shí)，右手尺脈位置血管壁高度緊張拘緊，在血管中血流的搏動(dòng)下，會(huì)出現(xiàn)小范圍的悸動(dòng)和震顫的感覺，脈壁上附有一種極細(xì)的震顫感，在圖5中，a10的橫坐標(biāo)大約1.5處，展示的是血管壁高度緊張拘緊，震動(dòng)基線降低，并且在d7、d8、d9和d10的橫坐標(biāo)1.5處震動(dòng)幅度明顯降低，表示右手尺脈血管壁小范圍的悸動(dòng)和震顫。圖中標(biāo)識(shí)與電影中的情節(jié)恐懼感基本一致，通過基于人的主觀體驗(yàn)的情緒報(bào)告，以及與人體皮膚電阻的變化規(guī)律，印證了脈搏振動(dòng)覺分析恐懼情緒的適用性、有效性與正確性。

五、結(jié)論

本文重點(diǎn)討論了基于體感網(wǎng)和小波分析理論的情緒分析識(shí)別系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)人體生理特征參數(shù)的采集，特別是脈搏振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字化采集，將采集到的脈搏振動(dòng)數(shù)字信號(hào)通過小波分析提取出多個(gè)特征值的結(jié)合，以此判明受試者處于哪一類情緒，最終實(shí)現(xiàn)恐懼情緒與非恐懼情緒的分析識(shí)別的機(jī)制。下一步工作將依據(jù)此模型，利用多特征數(shù)據(jù)融合的方法進(jìn)行較多基本情緒的識(shí)別工作，進(jìn)一步提高識(shí)別的準(zhǔn)確性、普適性和可靠性。