梅貴文

（安徽建筑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，安徽合肥 230601)

0 引言

隨著時代的快速發(fā)展，人們的生活已經(jīng)離不開人工智能。在早期的人機交互中，人們真實情感狀態(tài)的變化并不能被計算機所捕捉。因此，許多學(xué)者通過生理信號來進行研究。過去，基于面部表情[1-2]、語音[3-5]情感識別等是最常見的情緒識別方法。然而，面部/語音情感識別的主要缺點是它依賴于幾個用戶相關(guān)參數(shù)，如文化背景、性別、年齡和種族。為了克服文化依賴問題，一些研究人員使用生理信號來識別情緒[6-9]。這些信號源于自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)，具有用戶無法觸發(fā)的優(yōu)點。常見的生理信號有皮膚電活動(GSR)、皮膚溫度(ST)、心電圖(ECG)、腦電信號(EEG)和呼吸速率(RESP)[10]等，利用生理信號進行情緒識別具有廣闊的應(yīng)用前景。

生理信號的情感計算主要是用于人機交互中，以此來準(zhǔn)確地識別人的情感狀態(tài)。如果計算機擁有了像人一樣的情感，將會大大便利人與機器的交流。除了在人機交互中，生理信號情感識別可以應(yīng)用很多行業(yè)。如教育、經(jīng)濟、科學(xué)、衛(wèi)生、生物醫(yī)藥等，尤其是在測謊儀和心理治療上得到廣泛應(yīng)用。在對嫌疑犯罪分子進行審問時，可以通過他們的情感變化來判斷是否說謊。因此，生理信號情感識別有著廣闊的前景。

生理信號需要用到相應(yīng)的儀器才可以測量處理，然后對其分析，最后進行情感識別。Healey J、Picard R等人提出了一種情感可穿戴計算機的新設(shè)計，它可以感知和響應(yīng)佩戴者的生理變化，可以幫助客戶完成音樂選擇，不僅包括所陳述的用戶偏好，還包括可能指示用戶當(dāng)前情緒的生理變量。在一些應(yīng)用領(lǐng)域上，研究人員希望可以及時地了解客戶當(dāng)前的情感、壓力等狀態(tài)，當(dāng)客戶在使用其設(shè)備時，以此來提供更方便的服務(wù)。

不僅僅是人機交互會從情感識別中獲益。在心理學(xué)領(lǐng)域，識別無法表達情感的患者情緒也會有所幫助。例如，孤獨癥譜系障礙患者或被診斷為閉鎖綜合征的患者可以從情緒識別中受益。此外，醫(yī)療保健部門越來越依賴技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備。患者與虛擬化身進行互動，虛擬化身能夠根據(jù)用戶的情緒進行閱讀和調(diào)整，這可以提高他們的動力。對于康復(fù)應(yīng)用，這甚至可以導(dǎo)致更快、更高的康復(fù)成功率，并提高生活質(zhì)量。情緒通過語言、語調(diào)、面部表情、肢體語言等方式進行交流傳遞（作為自主神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)），如心率變異性、皮膚傳導(dǎo)率等，因為隨著技術(shù)的發(fā)展，自動情感識別的可能性也得到了提高。通過生理信號情感計算對孤獨癥患者進行治療有著重要的意義。

情感計算對治療焦慮等心理疾病有著很大的幫助。焦慮是一種以生理變化為特征的心理狀態(tài)，例如緊張的感覺、焦慮的想法、血壓水平升高和出汗過多。由于出汗異常，皮膚的電性可能會在電導(dǎo)方面發(fā)生變化。因此，可以利用生理信號情感分析來對焦慮患者進行檢測，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)他們的情緒狀態(tài)，方便心理醫(yī)生采取適當(dāng)?shù)闹委煷胧?/p>

1 相關(guān)概念

1.1 概述

近年來，情感計算成為人機交互中一個重要的研究方向，一直在尋找如何讓計算機擁有識別人類真實情感并做出及時反應(yīng)的能力。情感計算涉及多個方面，生理信號只是其中一個分支，由于有著獨特的優(yōu)勢，所以被眾多研究人員所關(guān)注。

基于生理信號識別人的情緒，其實是從生理信號中提取相關(guān)特征來識別人的情緒體驗。首先刺激受試者的情緒體驗，然后通過相關(guān)的生理信號設(shè)備采集受試者的生理信號數(shù)據(jù)例如腦電、呼吸、皮膚電等信號，對采集到的數(shù)據(jù)進行去噪等處理，最后將其輸入合適的分類算法中，進行情感識別。

1.2 情感定義

心理學(xué)領(lǐng)域?qū)η楦械难芯坑蓙硪丫茫两袢詿o法達成統(tǒng)一的定義或理論模型。Jenkins 和Oatley 認為情感是主觀體驗和內(nèi)在的生理變化，是受到個體主觀意識等外在因素所引發(fā)的。Davidson 等人的觀點認為，在短時間內(nèi)迅速變化的心理和生理現(xiàn)象反映了個體的適應(yīng)能力使他的身心適應(yīng)周圍不斷變化的環(huán)境。Sehere 等人認為，情感與個體的性格、態(tài)度和立場是不一樣的，但它們也不是完全區(qū)分開的，具有一定的聯(lián)系。

由此可見，情感只有在特定范圍內(nèi)才能達到一致的理解或定義。情感不僅是主觀意識的一種表現(xiàn)，同時也是心理和生理上的狀態(tài)，而且容易受到外界因素干擾，如種族、文化等因素的影響，因此很難給出一個規(guī)范的、普遍的確切定義或理論模型。

對于大多數(shù)人來說，情感是存在一些相同特性的。比如，當(dāng)不幸的事情發(fā)生在自己的身上時，人會表現(xiàn)出悲傷狀態(tài)，而當(dāng)達到一個期待已久的目標(biāo)時，人又會表現(xiàn)出非常高興的狀態(tài)。由于情感的定義還沒有一個統(tǒng)一的定論，因此研究人員開始研究情感的表達和關(guān)于情感狀態(tài)認知的研究。目前在國際上通用的情感模型可以分為離散型和維度型。

1.3 皮電信號

人體內(nèi)含有多種生理信號，皮電信號只是其中的一種。本文采集的生理信號為皮電信號(GSR)。皮電信號作為一種重要的生理指標(biāo)，在許多研究領(lǐng)域和現(xiàn)實生活中都有應(yīng)用。皮膚汗腺功能的變化，會導(dǎo)致皮膚電阻發(fā)生變化，這種變化稱為皮膚電反應(yīng)。皮膚電反應(yīng)是一種廣泛使用的情緒反應(yīng)測量方法。

1.4 情感模型

目前，離散情感模型和維度情感模型是被研究者廣泛接受和認可的兩種模型，同時也是國際上比較認可的情感分類模型。在日常生活中，人們表現(xiàn)出來的高興、生氣等情感標(biāo)簽，都是屬于基本情感理論中的基本原始情感。人類情感是由多種不同的基本原始情感所構(gòu)成的。維度情感理論中，認為情感是多維度的，情感狀態(tài)是情感維度空間中的不同點，人類情感由若干個情感維度構(gòu)成。因此，在該空間中都可以找到每種情感所對應(yīng)的映射點，情感狀態(tài)的強弱可以通過維度坐標(biāo)來判斷。本文使用的是離散情感模型。

2 實驗過程

2.1 實驗環(huán)境

數(shù)據(jù)采集的過程都是在實驗室里完成的，室內(nèi)溫度、濕度、光照均在正常情況下保持不變。因為生理信號容易受到外界因素的干擾而影響數(shù)據(jù)的有效性，因此在整個采集數(shù)據(jù)的過程中，實驗室除了參與者之外沒有其他人員，同時實驗室的環(huán)境是干凈整潔的。

2.2 情緒誘發(fā)素材庫的建立

通過呈現(xiàn)情感材料來喚起情感，或者營造一個情感情境來喚起情感，這是目前最常用的情感誘導(dǎo)方法。由于營造情感情境的要求較高，需要專業(yè)人員指導(dǎo)，幫助參與者回憶或想象，讓他們仿佛身臨其境表現(xiàn)出對應(yīng)的情緒。同時對參與者本身的要求也是較高的，因此本文通過呈現(xiàn)情感材料來喚起情感。

目前，面部表情圖片、音樂以及視頻等素材被廣泛用于激發(fā)被試情感的實驗室中。通過圖片和音樂可以誘發(fā)不同的情緒，Petrantonakis 用圖片作為刺激源來激發(fā)情感，通過EEG信號來評估每個情緒激發(fā)試驗的情緒影響。Kim 利用不同的生理信號研究了音樂誘發(fā)的情緒識別。Angela Chan 研究了遠距離觸摸如何影響一個人的音樂情感體驗，以及這種體驗如何依賴于觸摸的發(fā)起者和接受者之間的關(guān)系，得出熟悉的觸覺可以顯著增強音樂的積極和消極影響。Lin根據(jù)音樂誘發(fā)了不同的情緒，探索了大腦活動與情緒狀態(tài)之間的相關(guān)性。Gross 等人將剪輯后的電影片段，用于被試者來觀看，具有良好的誘發(fā)情感效果。

通過圖片作為刺激源激發(fā)情感，數(shù)據(jù)材料容易獲得但無法持續(xù)激發(fā)測試者的情感。音樂作為刺激源來誘發(fā)情感可以在一定程度上持續(xù)誘導(dǎo)受試者的情緒，并不能準(zhǔn)確地把每類情感都激發(fā)出來。經(jīng)過眾多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，用視頻片段作為激勵源來誘發(fā)被試的情感比圖片或者音樂更加有效。因此，通過觀看情感視頻作為刺激源來激發(fā)情感，可以更好地激發(fā)被試的情感。

2.3 采集過程

因為個體的差異性，參與者在被情感誘發(fā)因素刺激時，表現(xiàn)出的情感可能是不一樣的，所以為了盡可能減少實驗的差別性，本實驗的參與者都是在校研究生，一共20人(10名男生、10名女生），年齡差不超過4歲。為了采集真實有效的皮電信號，在進行實驗之前，告知參與者保持充足的睡眠，身體沒有不舒服等狀況，同時將手機放在離實驗很遠的一邊，避免電磁場帶來的干擾。實驗前，要求參與者填寫調(diào)查問卷，其中包括姓名、性別、年齡等基本信息，并填寫SCL-90 評估量表進行心理測評確保心理健康狀況良好。還要給參與者講解在實驗過程中需要注意哪些事項，確保實驗準(zhǔn)確地進行下去。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程

將實驗分為男女兩組，在實驗開始之前，讓被試先平緩心情，以確保情緒處于平靜狀態(tài)，然后左手戴上采集皮電信號的設(shè)備，檢測被試的電信號波形是否趨于平穩(wěn)，待其平穩(wěn)后開始實驗。然后給被試觀看誘發(fā)情感的視頻片段，被試在保持不運動的情況下坐在椅子上依次觀看視頻片段，視頻都是不超過2分鐘的片段，被試在看完一個激勵視頻后根據(jù)自己的真實感受填寫PAD 情緒量表[10-11]，隨后把采集設(shè)備取下休息兩分鐘，讓設(shè)備保持干燥，避免影響采集結(jié)果。在觀看下一種情感片段前，先測量被試的電信號波形，確保其情緒處于平穩(wěn)狀態(tài)，然后開始采集數(shù)據(jù)。重復(fù)上述的操作，依次看完5個情感激發(fā)片段。為了使激勵效果達到最好，按照喜悅、悲傷、憤怒、恐懼、平靜的順序讓被試觀看。最后根據(jù)被試填寫的PAD 量表篩選出較好的數(shù)據(jù)。

按照上述步驟分別采集男女兩組實驗人員的皮電信號以及他們觀看5個情感激勵視頻后填寫的主觀PAD量表，并對此進行分析。

圖2 不同情感素材對男女生的激發(fā)率

通過對男女兩組被試填寫的PAD 量表進行分析得到，男生在觀看喜悅的激勵視頻后，受到的影響比女生大，而女生則在觀看恐懼和悲傷的視頻后，所受到的影響比男生更明顯。結(jié)果表明性別不同，對不同情感的影響是不一樣的。

2.4 實驗分析

將采集的男女兩組皮電信號數(shù)據(jù)進行去噪等處理，使GSR 信號變得光滑，然后對其均值化處理提取統(tǒng)計值特征，將處理后的運動前和運動后數(shù)據(jù)，分別按照8:2的比例分為訓(xùn)練集和測試集。然后用訓(xùn)練集來訓(xùn)練SVM模型，最后將測試集放到訓(xùn)練后的模型中進行分類，得到最終的識別結(jié)果。實驗結(jié)果表明，男生喜悅的識別率高于女生喜悅的識別率，女生在恐懼和悲傷的識別率上要高于男生在恐懼和悲傷的識別率。在一定程度上女生相較于男生更容易激發(fā)某類情感，而男生并不容易激發(fā)，說明了性別不同對情感的影響是不一樣的。

3 結(jié)束語

通過本實驗的研究得知，不同性別對不同情感的影響是不一樣的，通過生理信號來識別情感更加真實有效。因此，可以通過生理信號檢測男女生的情感狀態(tài)并做出及時的應(yīng)對措施，來改善他們的情感狀態(tài)。