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基于智能算法的生理信号情感识别

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第38卷第3期。201i年3月计算机科学ComputerScienceV01.38No.3Mar201l基于智能算法的生理信号情感识别熊勰刘光远温万惠(西南大学电子信息工程学院重庆400715)摘要针对基于生理信号的情感识别问题,采用具有模拟退火机制的遗传算法、最大最小蚁群算法和粒子群算法来进行特征选择,用Fisher分类器对高兴、惊奇、厌恶、悲伤、愤怒和恐惧6种情感进行分类,获得了较高的识别率,并找出了对情感识别系统模型的构建具有较好性能的特征组合,建立了对6类情感具有预测能力的识另q系统。关键词情感识别.特征选择。智能算法中图法分类号TP391.41文献标识码AEmotionRecognitionofPhysiologicalSignalsBasedXIONGXieLIUGuang-yuanonIntelligentAlgorithmWENWan-hui(SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)AbstractFortheproblemofemotionrecognition,geneticalgorithmbasedonsimulated-annealingmethod,max-minantcolonyalgorithmandparticleswarmalgorithmwereusedforfeatureselection,andcombinedwithFisherlinearclassifiertOrecognizesixemotions:joy,surprise,disgust,grief,angerandfear,ithasobtainedhigherfeaturesubsetwhichgnitionidentifytheemotionrecognitionsystemmodelwithsixemotions.better鼬nnancerecognitionwasrate.Effectivefound,andthe耐systemwasestablishedwithforecastingabilityofKeywordsEmotionrecognition,Featureselection,Intelligentalgorithm一风景和轻音乐一片段1一风景和轻音乐一片段2一风景和1前言人机交互情感识别领域的一个重要分支是基于生理信号的情感识别。本文采用剪辑好的视频作为唤起材料,诱发高兴、惊奇、厌恶、悲伤、愤怒和恐惧6种情感,并采集以下几种生理信号:面部肌电、脑电、心电、脉搏、呼吸和皮肤电导。本文侧重分析心电信号的心率部分和皮肤电导信号,并从这两种生理信号中提取有效的特征组合[1‘3]。本文使用美国BIOPAC公司提供的多导生理记录仪MPl50,采集被试者情绪产生时的生理信号,并对心电信号进行离散小波变换后提取心率信号的时频域的特征,对皮肤电导信号进行滤波后提取时频域的特征。特征选择采用具有模拟退火机制的遗传算法、最大最小蚁群算法和粒子群算法,并结合Fisher投影缩减特征空间维数对6种情感状态分类。其各类情感识别率均能达到较高水平。轻音乐一片段3一风景和轻音乐一片段4一风景和轻音乐一片段5一风景和轻音乐一片段6一风景和轻音乐。实验后要求被试者在问卷中填写观看完视频的感受。以便提取有效数据。高兴、惊奇、厌恶、悲伤、愤怒和恐惧情感样本库的规模依次为216,167,100,235,349和217个样本。样本数据量的大小与相应情感唤起的难易程度有关。在情感诱发素材开始前,已经记录了被试者在平静状态下的生理信号基线。3信号预处理3.1皮肤电导的预处理由于硬件设备上具有35Hz低通滤波和50Hz电源干扰滤波,因此皮肤电导信号的信噪比较高,对其进行预处理时,用平滑滤波去除噪声即可。3.2心电信号的预处理利用了小波变换良好的时一频局部化和对信号奇异点的2数据采集实验对象均为西南大学在校学生,所有被试者身体健康,无心脏疾病和精神疾病病史。实验素材采用了电影片段,与图片和声音相比,电影能够更加可靠和真实地唤起被试者的内心情感“]。在大量的视频材料中分别以高兴、惊奇、厌恶、悲伤、愤怒和恐惧为目标情感选择了6个片段,并且按照以下的顺序合成为持续48min的情感唤起剪辑素材:实验提示语到稿日期:2010-04—12返修日期;2010-07—2807003)资助。检测能力,对采集的E【Ⅺ信号进行离散小波变换,在去除带外噪声和基线漂移的同时重构ECG信号的高频部分[5|。通过重构信号,在准确定位E【Ⅺ信号的R波和QRS复合波后,从中提取心率信号。4特征提取在皮肤电导信号和心率信号中总共提取99个特征,构成本文受国家自然科学基金(60873143),西南大学国家重点学科基础心理学科研基金(NKSF熊勰(1986一),男,硕士生。主要研究方向为智能信息处理与情感计算;刘光远(1961~),男,博士。教授,主要研究方向为计算智能与情感计算;温万惠(1981一),女,博士生,讲师,主要研究方向为计算智能与情感计算。·266·万方数据r地*特Ⅱ浆m眭m#信号手¨0阜仿q均进#T均值(汕m”)巾值(Mt{I】=_n)、打∞【Std)*^值(Max,R小值《Min)#女m范月(RafⅥe)”*”Ⅲ。m据“#信号颧宰L的特n,提m0Hz目o2Hz的16十自络&^值点作∞特评.#E自r)N(1)一I)n(I6)。m据■牢{他的特^,t取。率保持为T4口∞持《W目(1.,r12,半《镕m加自莲续&小的持续时IhI(1,千¨T,1Ⅲ丰连接增M目4续#十∞幅度(A"A,)、0率i升自T降∞步进(RⅫrj¨%计值“∞特《。《产mrr}衔’F{b;^,/r,Ar,TAyJ.Ⅻ^,_被试#&腴m导信号Ⅻ■电信口均存n十体蘑”~消除十体若异#nM右棒缸R愤都Ⅲ**“*#r静状卷TjtⅨ∞特Ⅱn值m*∞化。5特征选择自T&有情培tg信息∞先骑Ⅻm.睁精特Ⅱ中自4特ⅡW&”*薅mⅢ^敬。t蝗^州特☆EOH≯!*U效果产生鲍自影自,目此∞}进行特征选择女障d!特“r。另·方自.从信息论的角度阱,持Ⅱ选#mB信息Ⅲ缩自过程,WH获得更h简日∞识…§统。=丹*情感M刖系统的M别能女nr“月击中卓(71’R)、捐报率(FNR)Ⅲ确拒绝毕(TNR)自艘《率(FPR)柬表示,它们分制定女为t豫=瑚裸髁妒×IOll%mFNR=型精黥睾星跹8一u%m,wn一正9{;智≤《}皋聂土墼×,o。“cs,mt一巡甏黑鬈襻堂一o“w易ⅫE们有mF置《ⅢRIFNRrNRI·PR。对}“FPR为横女#、TPR*纵m标¨R(℃}Ⅲ,日知址fWm绒FI’R=TPRL的系统肚尤月∞。F1,K二,FI,R∞E域女性能较好系统B#且i统距离对角线FPR=TPR越t越好:TPR<FPR的Ⅸ域对府性能鞍#§统日域,目系统距离W自蜡月m=TpR越重越茅4。为T保证N*的数据m能够得到好的ⅢⅫ.☆模型的识别能山与推广性2问折巾.将每类情感样本分别分为3份:随机选取其中的1/3构成数据矩阵A…㈡是样丰个数洲是特征维教.T同).用于训练分类器;在其余的数据中%机t取1/3构成数据矩阵n…月十特征选择.剩T∞构成数《《阵o…用于模Ⅻ两删能力的验证。井对“t的散据集晡机掏凿50敬.模型的砸瓣耗々使用5呲t空卫齄《舶平均女中串TPR和虚报阜FPR作为衡量标准。研R十分别使用具有模拟m火机制的遗传算法、最夫艟小虹群算法自粒f群算*进{f模型谜择,利用它们良好的解空间搜索艉力#避免教据H拟台%力米建i对6娄情感具有较高识别率的二H粪情感m剧系统。51具害横拟退m机q的培传算涪遗传算法通过模救自辩±自进化∞对程米进H最优化M题白勺求解。模拟m火算☆Ⅲl通d模拟m^H程来解班组合域优化H题.遗传箅&目盎行有教的全局搜索,m模拟退^算万方数据法nr“{R快&H*酃最忧镕+。1、{¥鳊日月戒呆月m制c1R&诲#“&*自th】代表*m十ⅢI丹别蛤mr“愤2cAnger)、m恶(][Ⅺglmt)、m惧‘F㈣r)《““;rkD高*(Joy)自镕哿(SurpfiM.)~¨标情感时特《远择∞≈一女☆代撤佳十体的rPR+1NR.u&其验证u寸M获僻∞FPR+INR。磬鳕i1亩l审;i自瑟自|:;皂目】IL十,№mm^mM¨m*#&*Ⅱ☆#自&uf_Ⅱ&≈&镕“mm十*∞II’j卜I、R^I培mr#fm传算%特Ⅱt择的6个‘二**情感m别系统的空x&ⅡR佳击中卓(TPR)和虚报宰(FPR)“&对&的特{E组台包含的特征堆数,女16十="**gmⅢ}‰∞*Ⅱii&E☆十¥目mm¥&*Ⅱ镕#(R自mmm^#【d∞m*#&)E…on‰68;“50^…11’R¨e月’Lm5^}a“}&3“228,c30hⅣ78,“3l2%-*8or*f5”Ⅻ1%19…1wIov708“^69“!。77Z‘95“37月2给出T#fFisher*粪№刖"结台横拟m^∞遗传算n特征选掸的情接识州§统∞麒E平Ⅲ。M幕统{R(E甲札t∞坐标^距离时角线的正置¨Ⅻi%对恐惧的识郫救旱是R蚪的.其攻依状为高*、Ⅸ恶惊奇2伤自愤怒。目2*}Fisher”女#Ⅲ目镕☆#mⅢ^∞m*#B#《%#∞”m*Ⅲ§%∞Ⅲ℃}is2量★量小蚊群算镕§太艟小蚁群(MMAS)算法是N普m《群的改m.是到目前为止解央旅行商问题等优化问题最好∞H群优化*算法。MMAS舶特点#f(I)造代最优蚂蚁或当前最优蚂蚁才#允许释放信息隶。(2)MMAS将信息素的m值m雠4一个范崮[h。r一]m免算女过P收敛,(31韧蛤信息幕值口定为。。.并E信息索∞挥发率m较小值,目的是使算珐在最自的搜索十尽日能地樽到更多的解“….特征选择日m看成B蚂蚁寻投最优路&∞d《.每十特《目当f蚂虹觅食时要M过∞节点.自日种*记状态0或l,0代表镕特征世*进中,l代表被选十。蚁群问m过残%在每十特征节点上∞信息翥进行台作.&#}找到较优的觅食路&(对应较优∞特Ⅱf集)。·267-情感时.特"选#的缸m过f℃m”纠“们TPR—TNRu及其验*uff¨让甜的¨。KI{豳F匦{罩l:{臣墨笋星3;圈l:卣l:两|萎{:{圉l:{臣旦li圈目3持mT“m怒Ⅸ岳罂mm协崩*和幛奇为目杆…k—l—RJ~H··一XR…,Fi司…~~一目5Kf##镕*Ⅱt#目§“dR≈&AftR*■Ⅱ}M十采3嫱mT基于粒f群算法特征进掸的6十=分类情感Ⅲ×R^Rm《"■*#¨BH目%ⅡH&*&镕R**■mw*识别系统韵受z验证母佳击巾率Ⅻ虚报丰,与其余几种特征选掸算法相&.粒f群箅&县有鞍女f的撷测识别能力.井且具有较好的特秆选样能力.^j6十:"**gu:w**∞R”2xRⅡJ-十}目自m十(#f##&*&t#’^2站i_}r壮于蛀人撤小虹群掉浊特征选样的6十‘丹类情感#I刷乐坑的空x瞬征艟佳击中率和虚撤串。日璺“群特征选抒j;打比遗传算法更好的预测识别难.降维能力mm遗传并&优秀。*?6十"∞MgmⅢ《&∞R#±x§Ⅱ☆十¥#mm%&#*镕%(n*#*#mt#)m4grFisher"女mM自日★&十《“*☆∞一n女M8*Ⅻ{*∞mx。fⅢ53粒子#算镕粒于群【刚)】算法与托Em化粪算法类似,m鬻用。群体”与“进化”纳概念,同样m詹收据十体(轧子)的适应值划、进行操作。*}删的n,挝f群算法{像jt它进化算法那样埘个体使用进化并r州是将拇十个体看作是拄”维搜索空M巾的十&右皿皿和体积的粒子许舟搜常空删巾m一定的遣鹰1行。该E扦建度}11十体∞1行经验目#体∞1打§验进行动态调整”.粒子位置代表特征向皿若为】.则代表相应的特征选中.厦之为o,剐n特征术选一p.每改造代月珏u±月晟优粒子n&为中心进行邻域艘索,全局搜索主g往重的足搜索广虚·要求处理的信息最多,建度要求快口1糖度不高;邻蟪搜案取点搜索有局部最优点的K域.搜索的旭目小.但有较高∞搜索Ⅸ廑,罔5分刷持}Ilr“愤馨.厌惑.恐惧悲协、离*和惊奇山目标情感时符Ⅱ选掸的每次遗ft最佳垃f∞TPR十TNR·268·万方数据表1不同噪声水平下测试用像的峰值信噪比(PNSR)ComputerVision.Bombay,1998:839—846[3]BuadesA。CoilB,MorelJ帆Reviewofimagedenoisingalgo—rithmsvnthnewone[j].MultiscaleModelingandSimulation,2005,4(2):490-530[4]GijbelsI,LambertA。QiuP.Edge-preservingimagedenoisingandestimationofdiscontinuoussurfaces[J].1EEETransactionsPatternAnalysisandMachineImelligenee,2006,28(7);0871075—1[53BarashD.Afundamentalrelationshipring,adaptivebetweenbilateralfilte-smoothing,andthenonlineardiffusionequationD].IEEETransactionsPatternAnalysisandMachineIntel—另外,需要特别指出的是。为了更好地对比和展示本文算法的优点,传统双边滤波和本文算法采用相同的滤波器参数,但并非两者的最佳滤波参数。ligenee.2002。24(6):844—847[63LiuY,WangJ,Cbenx.eta1.Arobustandfastnon-localmeansalgorithmforimagedenoising[J].JournalofComputerScienceandTechnology,2008。23(2):270-279结束语图像中的细节特征(如边缘)是物体各部分之间的界限,以这些特征为界的各连续区域代表着物体的各个部分。通常,图像去噪在各连续区域内进行才能取得更有效的去噪效果和保持图像细节特征。为此,本文提出了一种在连续子邻域内进行的鲁棒双边滤波方法。通过仿真实验对比及理论分析,可以得出如下结论:本文算法可以在获得良好去噪效果的同时保留图像的细节特征,具有较好的鲁棒性能(或抑噪性能)。[73刘艳丽。郭延文,王进,等.噪声方差未知的小波域中非局部均值图像去噪[J].计算机辅助设计与图形学学报,2009,21(4):526—532[83BuadesA,CoilB,MorelN.Anon-localalgorithmforimagede-noising口].IEEETran!;actionaRecognition,2005,2:60-65ComputerVisionandPattern[93FanH.YuY,PengsingbasedtionsQRobustfeature-preservingmeshdenoi-consistentsubneighborhoods[J].IEEETransac—jnVisualizationandComputerGraphics.2010,16参考文献[1]陈强,郑钰辉,孙权森,等.片相似性各向异性扩散图像去噪[J].计算机研究与发展,2010,47(1):33-42[10]陆剑锋.林海。潘志庚.自适应区域生长算法在医学图像分割中的应用[J].计算机辅助设计与图形学学报。2005,17(10):2168-2173[11]IrfanTB,NasirMRMultilateralfiltering:anovelframeworkforgenericsimilarity-basedimageInternationalE2]TomasiC。ManduchiRBilateralfilteringforgrayandcolorima—denoising[C]}}ProceedingsProcessing.2009:2981—2984ges[C]//Proceedingsofthe6-thInternationalConferenceConfereneeImage(上接第268页)分别表示心率上升和下降的步进。Ar/L,A,/T,,A×Tr和[2]PieardRW,VyzasE。HealeyJ.TowardMachineEmotionalIn—telligence:AnalysisofAffectivePhysiologicalTransactionsState[J].IEEEIntelligence,A,XD是4个衍生变量。表4特征选择结果TargetAngerLKsgustSelectedfeaturesPatternAmalysisandMachiRe2001,23(10):1175—1191[33KimJonghwa.AndreEEmotionrecognitionBasedlogicalChangesinPhysio-MusicListening[J].IEEETransactionsDFT(11)_GSR.DFT(13)一GSR。Min_Ar×丁rPatternAnaly萄sandDachineIntdligence,2008。30(12):2067—2083—DFT(10)一GSR.DFT(16)一GSR。Max—HR.Rangej己.Mill_A,.Max./o,DFT(4)一HR.DFT(6)一HR.DFT(15)一HR[4]GrossJJ,LevensonRw.Emotionelicitionusingfilms[J].Cog—nitionandEmotion,1995,9(1):87—108MaxFearGSR,MinGSR,DFT(3)GSR.I)FT(4)一GSR.Ⅸ叮[5]KtataS。OuniK,EllouzeN.ECGSignalMaximaDetectionU—(”一GSR。Median—HR.R舡*lge—HR.Mean一丁f,Max—L,Mean_R,.Std—R|.Median—R|.Max—R”Mean—F¨Mean—Ar.Std—Ar。IⅥfin—Ar.Min—A/.Min—Ar/丁r.Std—AslT/·DFr(2)一HR.DFT(3)一HR.DFT(”一HR,DFT(8)一HRsingWaveletTransform[C]ffProceedingsof2006IEEEInter-nationalSymposiumIndustrialElectronics.IEEEPresst2007:700-703GriefMin_GSR.Std_Ar/Tr.MedianA//T/Mean_HR.MeanAr×BMean_GSR.Max—GSR。Min—GSR.Range—GSR,DFT(4)一GSR.Mean_HR.Median_RI,Median—F,·Std—Ar。Max_Ar·Median_丁r,Mill_B。Min—Ar/L.Mean_A,×丁r.Std—Ar×L.MaxA,×丁,.Min—Ar×Tr.DFT(2)一HR.T)Fr(3)一HR,DFT(5)一HR.DFT(6)一HR,DFT(10)一HR.DFT(16)一HR[6]温万惠.邱玉辉,刘光远,等.情感生理反应样本库的建立与数据相关性分析[J].中国科学F辑(信息科学)。201l(1)[73lsabelleG.AndreEAnIntroductionJoyvariableandfeature1ection[J].JournalofMachineLearningResearch,2003,3:1157一1182Surprise[83BradleyAP.TheoftheareaundertheROCinthevaluationofmachinelearningalgorithms[J].PatternRecogni—在后期工作中设计特征选择和分类器时,可以将多种特征选择算法和不同的分类器相结合来识别情感;可提取更多的生理信号的特征,例如脑电、肌电等,并同时识别多种情感状态,从而建立一个比较完备的情感识别系统。tionSociety,1997.30:1145—1159[93康立山。谢云。尤失勇.等.非数值并行算法——模拟退火算法[M].北京:科学出版社.1998Do]DorigoM.Stiitzle2004:64—116T.AntColonyOptimization[M-J.MITPress。参考文献[13HeardRw:AffectivePress。1997[11]KennedyJ.EberbartRCAdiscretebinaryversionofthepatti—eleswarmalgorithmiC]}}the1997IEEEInt.Conf.Systems。Computing[M].Massachusetts:theMITMan,andCybernetics:ComputationaICybemeticaandSimula—tion.voL5.Orlando。FL,USA,1997:4104-4108万方数据278·基于智能算法的生理信号情感识别

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

熊勰, 刘光远, 温万惠, XIONG Xie, LIU Guang-yuan, WEN Wan-hui西南大学电子信息工程学院,重庆,400715计算机科学

COMPUTER SCIENCE2011,38(3)

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