姚容，呂勇，項(xiàng)方康，周正馳，巫溢濱

(嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

1 引 言

情緒是我們智力的基礎(chǔ),也是人類道德與尊嚴(yán)的基礎(chǔ)。隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與情感神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的證據(jù)表明，情緒是推理和判斷過(guò)程中必不可少的一部分，并對(duì)各個(gè)成長(zhǎng)時(shí)期的學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。其中兒童時(shí)期的情緒變化尤為重要，在成長(zhǎng)過(guò)程中若沒(méi)有得到正確的心理指引和情緒上的關(guān)注，可能導(dǎo)致其在青少年時(shí)期的自閉、自卑和逆反心理。因此，我們提倡情緒監(jiān)督要從兒童時(shí)期做起。雖然情緒是一種主觀意識(shí),但情緒狀態(tài)的變化總會(huì)伴隨一定的生理變化，因而，我們可以從生理參數(shù)的角度,以兒童作為檢測(cè)對(duì)象，用一套客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)研究情緒狀態(tài)。為了讓測(cè)試兒童處于相對(duì)自然的狀態(tài),使情緒識(shí)別結(jié)果的可信度更高,本研究提出了穿戴式生理參數(shù)采集系統(tǒng)的概念。

2 生理指標(biāo)特征選取

由于自主神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，當(dāng)有機(jī)體處于某種情緒狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列的生理變化，測(cè)量這些變化的指標(biāo)就是生理指標(biāo)(physiologicalindex)。大量的研究表明，除了少數(shù)情況外，生理指標(biāo)的測(cè)量并未為特定的情緒提供明確的模式。陳繼華等[1]指出，最為常用的生理指標(biāo)有：皮膚電反應(yīng)，體溫，循環(huán)系統(tǒng)的指標(biāo)(心電信號(hào))。

由于各類生理指標(biāo)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào),其個(gè)體差異很大。不同人之間,心電、體溫、皮膚電阻值都不同,其中心電信號(hào)的個(gè)體差異最為顯著。因此,為實(shí)現(xiàn)情緒狀態(tài)的識(shí)別,我們必須從所采集的心電信號(hào)、皮膚電反應(yīng)、體溫3個(gè)生理信號(hào)中提取出最有效的特征來(lái)用于分類。

本系統(tǒng)利用情緒神經(jīng)心理學(xué)方面專家的知識(shí)挑選出那些對(duì)分類最有影響的特征。

依據(jù)文獻(xiàn)[2]中資料顯示，伍德和霍根森(Wood&Hokanson，1965)曾用心率作為緊張的指標(biāo)，研究操作和激動(dòng)水平的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)用握力計(jì)來(lái)誘發(fā)緊張，即被試者的緊張程度隨握力計(jì)壓力的增加而加強(qiáng)。隨著心率的不斷增加，操作水平亦隨之提高；但到一定程度之后，心率的增加反使操作水平下降。韋克斯勒(Wechsler，1925)和塞茲(Syz，1926)所做有關(guān)皮膚電反應(yīng)與情緒的研究表明，有情緒色彩的詞能引起皮膚電反應(yīng)，而重復(fù)刺激則能降低這種反應(yīng),結(jié)果見(jiàn)表1。戴星格(Dysin-ger，1931)曾用能引起愉快感受的詞(如：親愛(ài)的、休假)、引起不愉快感受的詞(如：嘔吐、自殺)和無(wú)關(guān)的詞(如：筐子、作用)作為情緒刺激進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與無(wú)關(guān)刺激相比，愉快和不愉快刺激均能引起皮膚電反應(yīng)提高；而不愉快刺激引起的皮膚電反應(yīng)更為明顯。周建中[3]的研究表明，心電波形中的R波幅度及其寬度會(huì)隨著情緒狀態(tài)的變化而發(fā)生明顯變化。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述，北大心理學(xué)系在1973年的研究表明，在情緒狀態(tài)改變時(shí)，呼吸系統(tǒng)在速度和深度上會(huì)有所變化,繼而引發(fā)血管容積發(fā)生變化。無(wú)論血管是處在收縮狀態(tài)還是處在舒張狀態(tài)，它都將引起人體溫度的變化。李豪等[4]指出，當(dāng)人呼吸變得急促，交感神經(jīng)系統(tǒng)促使皮膚豎毛肌收縮，汗腺的汗液分泌量增大，皮膚電阻值下降，通過(guò)測(cè)量電路可以比較容易地檢測(cè)出這種變化。由此，本系統(tǒng)選擇心率作為第一個(gè)特征,心電波形中的R波幅度及其寬度作為第二和第三特征,體溫為第四個(gè)特征,皮膚電阻值列為第五特征。

3 兒童情緒生理參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

兒童情緒生理參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

表1 韋克斯勒和塞茲的研究結(jié)果

數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫度傳感器、皮膚電阻、心電信號(hào)檢測(cè)傳感器、濾波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等子模塊構(gòu)成，其目的是利用傳感器將被測(cè)量的模擬量進(jìn)行放大、濾波、反饋補(bǔ)償、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。

本系統(tǒng)選用的情緒活動(dòng)的生理指標(biāo)有：皮膚電反應(yīng)、心電、體溫。

3.1 心電信號(hào) (electrocardiogram，ECG)

原始的心電信號(hào)非常微弱，幅度只有0～4 mv，頻帶為0.05～100 Hz，并且混雜有大量的干擾噪聲，其中50 Hz工頻干擾最為厲害。除此以外，還有電極接觸噪聲，肌電噪聲，放大器直流溫漂，呼吸引起的基線漂移等干擾。

3.2 皮膚電反應(yīng)

皮膚電阻的個(gè)體差異較大(2～I(xiàn) MΩ)，并且隨著測(cè)量方式的不同，得到的值也不同。由于皮膚電阻的個(gè)體差異達(dá)到二、三十倍以上，對(duì)特定個(gè)體的定量計(jì)算不具備普遍性與代表性，只能進(jìn)行定性分析。所以，本系統(tǒng)中GSR不作為情緒判別依據(jù)，而作為情緒生理喚醒的標(biāo)志。

3.3 皮表體溫

體溫是個(gè)變化十分緩慢的生理信號(hào)，在頻譜上可以把它看成一個(gè)直流信號(hào)，所以，用于體溫采集電路的放大器，其本質(zhì)是一個(gè)直流放大器。

處理器模塊是系統(tǒng)的計(jì)算核心，由微控制器(CC2530片上系統(tǒng)8051)作為中心，是數(shù)據(jù)采集模塊與無(wú)線通訊模塊相連接的橋梁。

無(wú)線通信模塊通過(guò)TI公司的CC2530射頻芯片完成信號(hào)的發(fā)射與接收，以 Microchip ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

4 硬件設(shè)計(jì)

圖2為ZigBeeCC2530單芯片模塊的基本框圖。CC2530自帶的8051微控制器處理ADC模塊采集的各類傳感器信息，通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)RF收發(fā)器與另一塊RF收發(fā)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 CC2530單芯片模塊的基本框圖

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，包括采集子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)。

采集子系統(tǒng)由A /D 采集程序、定時(shí)器中斷程序、數(shù)據(jù)處理程序組成。由A /D 采集程序通過(guò)CC2530集成的ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，并使用定時(shí)器中斷程序控制采集次數(shù)和時(shí)間間隔。各個(gè)參數(shù)通過(guò)濾波、除噪電路已濾去大部分干擾，但仍需在軟件上進(jìn)行更細(xì)致的除雜處理。數(shù)據(jù)處理程序便是將采集得到的傳感器參數(shù)通過(guò)程序上的均值濾波和尖峰濾波，進(jìn)一步得到優(yōu)化。數(shù)據(jù)處理程序還包括將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外圍存儲(chǔ)設(shè)備的子程序。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]所述，傳輸子系統(tǒng)由通信管理程序組成，由TI公司提供的協(xié)議棧作為通信管理協(xié)議棧，完成傳輸模塊的初始化和節(jié)點(diǎn)信息處理。

6 生理指標(biāo)特征的檢測(cè)和分析

本系統(tǒng)采集的生理信號(hào)有皮膚電反應(yīng)，心電信號(hào)，皮膚溫度。

6.1 皮膚電反應(yīng)的檢測(cè)與分析

GSR信號(hào)檢測(cè)電路圖見(jiàn)圖3，BODY為被測(cè)部位皮膚電阻值。由于GSR的個(gè)人差異性，本系統(tǒng)將GSR數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)間微分后,取其變化幅度作為對(duì)相應(yīng)靶情緒分析的起始信號(hào)。

6.2 皮膚溫度的檢測(cè)與分析

圖4為SKT信號(hào)檢測(cè)電路圖，SKT的數(shù)值精度要求高，所以采用溫敏電阻檢測(cè)皮膚溫度。對(duì)SKT去除粗大誤差后，將一分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)取其平均值，最大值，最小值和變化幅度(微分值)。

圖3 心電信號(hào)檢測(cè)電路

圖4 皮膚電反應(yīng)檢測(cè)電路

6.3 心電信號(hào)的檢測(cè)與分析

圖5為心電信號(hào)檢測(cè)電路圖，此電路參考自文獻(xiàn)[6],并稍作改進(jìn)。本系統(tǒng)要求從心電圖信號(hào)中提取出識(shí)別情緒所需的三個(gè)特征：心率、R波幅度及其寬度。王恒迪等[7]指出，心率的計(jì)算公式為 60/(R-R間期)。因此，可以通過(guò)檢測(cè)心電信號(hào)中的R波分布來(lái)計(jì)算R波幅度、R波寬度以及R-R間期。圖5是基線漂移心電圖，本研究采用一種綜合利用了前后幅值差法、半波寬法以及R-R間期法的算法檢測(cè)R 波。即進(jìn)行 R 波檢測(cè)時(shí), 先利用前后幅值差法進(jìn)行判斷,找出備選的R波, 再分別利用半波寬法和R-R間期法去除各種偽信號(hào)。

圖5 基線漂移心電圖

7 情緒檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

進(jìn)行情緒判別前要先設(shè)計(jì)分類器，即給所要研究的幾種情緒做生理特征上的區(qū)分。方案如下：將3～5歲幼兒園兒童每人分別在愉悅、憤怒、恐懼和輕松四種情緒狀態(tài)下采樣100組的數(shù)據(jù)后，取均值，得到相應(yīng)情緒的樣本。采集基礎(chǔ)樣本過(guò)程中，應(yīng)確保穿戴該設(shè)備的兒童身體狀況正常，并且給予相應(yīng)的情緒上的刺激，即播放對(duì)應(yīng)情緒的音樂(lè)和圖像信息，研究人員需隔離在另一個(gè)房間監(jiān)控并根據(jù)表情、肢體動(dòng)作等外部表現(xiàn)挑選三至五位對(duì)外界刺激的反應(yīng)較為清晰的兒童，將他們的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)樣本，將基礎(chǔ)樣本做除雜和均值處理后，用來(lái)設(shè)計(jì)分類器。其余作為測(cè)試樣本，測(cè)試樣本用來(lái)檢測(cè)分類器的性能。

分類系統(tǒng)制作完成后，投入幼兒園兒童的日?；顒?dòng)中，在幼兒園中找到一位相對(duì)較為內(nèi)向，不善表達(dá)的兒童，跟蹤記錄其一天的行為活動(dòng)并實(shí)時(shí)采集其生理參數(shù)變化情況。最后根據(jù)數(shù)據(jù)分析其一天的情緒狀況，另一方面根據(jù)錄像中的行為表情分析出情緒狀況，以后者的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢驗(yàn)前者并調(diào)整分類器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)修改調(diào)整，系統(tǒng)愈趨完善后，再次對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試，其對(duì)愉悅的判別準(zhǔn)確率為91.8%，恐懼的為87.1%,輕松的為80.2%，對(duì)憤怒的為84.7%。

8 結(jié)語(yǔ)

兒童時(shí)期的情緒變化對(duì)其成長(zhǎng)時(shí)期的學(xué)習(xí)和記憶產(chǎn)生重大的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)的兒童生理參數(shù)采集與情緒檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)兒童情緒波動(dòng)有著重要的實(shí)用價(jià)值。但基于生理信號(hào)的情緒與情感識(shí)別是一個(gè)綜合生理學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)以及信息處理的多學(xué)科交叉課題，在將來(lái)的研究中要進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)的融合，把語(yǔ)音、面部表情和生理參數(shù)融合處理，結(jié)合多種分類器，得到更為精確、更為可信的結(jié)論。