CN101610716A - 用于测量用户的唤醒的计算机程序产品、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于处理GSR(皮肤电反应)信号的计算机程序产品，当其在计算机上运行时控制该计算机以估计用户的唤醒水平或至少估计唤醒水平的变化，该计算机程序产品设有这样的算法：其被配置为控制计算机以计算记录的GSR信号的三阶或更高阶的中心矩并且从所述三阶或更高阶中心矩获得唤醒水平的估计。

Description

用于测量用户的唤醒的计算机程序产品、设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于处理GSR(皮肤电反应)信号的计算机程序，当其在计算机上运行时控制该计算机以估计唤醒(arousal)水平。
本发明还涉及一种唤醒测量设备，其设有用于记录来自用户的GSR信号的GSR(皮肤电反应)传感器。
而且，本发明涉及一种用于估计唤醒水平的方法。
背景技术
在本领域，尝试自动测量用户的情绪状态的应用是已知的。这可能例如有利于改进人机交互。这样的产品的实例是“Wild Divine”公司的“Journey to wild divine”(www.wilddivine.com)和HeartMath公司的“Freeze-
Figure G2008800048766D00011
”。这两个产品测量用户的放松状态。
存在不同的方法来以自动化的方式测量特定情绪。例如，已知唤醒/兴奋/放松(放松与唤醒/兴奋相反)的变化影响ANS(自主神经系统)，这又改变了主体的生理/情绪状态。这可以通过各种生理参数表达，比如心率、血压、呼吸率和GSR(皮肤电反应)。测量技术包括测量肌肉的张力、记录心率的(不)规律性、以及测量皮肤的传导性。后者也被称为GSR(皮肤电反应)或SCR(皮肤传导反应)。
GSR(或SCR)信号是可以由测量皮肤的电阻的GSR传感器从皮肤中获得的连续信号。在已知的使用GSR的方法中，GSR信号在一定的时间周期上被平均化，从而使得噪声减少并且获得对该时间周期上唤醒的相对水平的估计。另一种方法检测一定的时间周期内记录的GSR信号中的峰值。这些方法的缺点在于，它们预先需要不方便的(inconvenient)校准周期以获得用作参考值的基线测量。只有在获得基线测量之后，才能测量唤醒水平的估计。
发明内容
本发明的目的是能够以方便的方法估计人的唤醒水平。
在第一方面，所述目的和/或其他目的可以通过用于处理GSR(皮肤电反应)信号的计算机程序产品单独地或以组合方式实现，其中当该计算机程序产品在计算机上运行时其控制该计算机以估计用户的唤醒水平或至少估计唤醒水平的变化，该计算机程序产品设有这样的算法：其被配置为控制计算机以计算记录的GSR信号的三阶或更高阶的中心矩并且从所述三阶或更高阶中心矩获得唤醒水平的估计。
已经从实验中发现，通过使用所计算的记录的GSR信号的三阶或更高阶矩(moment)，可以获得对主体的唤醒水平的合理判断，或者至少获得对主体的唤醒水平的变化的合理判断。这些三阶或更高阶矩是更高阶的统计学公式，并且可以从GSR信号获得，而这些计算可以在无需基线测量的情况下进行，即无需校准周期。这允许唤醒测量产品的即时使用，这对用户来说是方便的。而且，在GSR(皮肤电反应)信号被记录之后/同时，可以使得快的自动化形式的反馈成为可能。例如，用户可以接收被调整到用户唤醒/放松状态的直接反馈。
在一个实施例中，在一定的时间周期上实时计算偏度(关于均值的三阶矩)或峰度(关于均值的四阶矩)，从而实时提供关于用户唤醒水平的反馈。原则上，对于唤醒水平的估计，不需要与先前测量的基线测量或参考值进行比较，从而避免了校准。而且，不需要预先配置特定用户的个体特征。
这些和其他特征使得根据本发明的计算机程序产品、设备和/或方法变得不那么令人讨厌并且适合于针对人类和动物的应用。
该计算机程序可以在计算机上运行，其中该计算机可以包括任何计算机、处理电路或专用设备(比如唤醒测量设备)或者被并入该设备。通过使用本发明，例如娱乐应用之类的各种应用可以以更令人愉快的方式或至少以适合个人的方式来向用户提供反馈和/或响应。而且，GSR传感器可以以相对令人欢迎的方式记录GSR信号。
在第二方面，所述目的和/或其他目的可以通过唤醒测量设备单独地或以组合方式实现，该唤醒测量设备设有用于记录来自用户的GSR信号的GSR(皮肤电反应)传感器、用于处理所记录的GSR信号的处理电路、以及用于存储所记录的和/或经处理的GSR信号和算法的存储器装置，其中该算法被配置为控制该唤醒测量设备以计算记录的GSR信号的三阶或更高阶中心矩并且从所述三阶或更高阶中心矩获得唤醒水平的估计或至少获得唤醒水平的变化的估计。
在第三方面，所述目的和/或其他目的可以通过用于估计用户的唤醒水平、至少估计用户唤醒水平的变化的方法单独地或以组合方式实现，其中从GSR传感器接收GSR信号，其中计算GSR信号的三阶或更高阶中心矩，其中所述三阶或更高阶中心矩用于获得唤醒水平的估计或至少获得唤醒水平的变化的估计。
附图说明
为了清楚地说明本发明，将参照附图进一步阐明本发明的实施例。在附图中：
图1示出示意性说明的根据本发明的唤醒测量设备；
图2示出说明GSR信号偏度随时间变化的曲线图；
图3示出说明GSR信号峰度随时间变化的曲线图。
在该描述中，相同或对应的部件具有相同或对应的附图标记。所示的示范性实施例不应当以任何方式被解释为是限制性的，而应当解释为仅仅起到说明的作用。
具体实施方式
图1示出唤醒测量设备1，其设有用于记录来自用户的皮肤3的GSR信号的GSR(皮肤电反应)传感器2。在该实施例中，仅仅通过实例示出手指上的传感器2。GSR传感器2原则上可以被置于身体的任何地方，但是优选地被置于从中可以获得可靠的GSR测量的便利的位置上。GSR传感器2将GSR信号发送到用于处理这些所记录的SGR信号的处理电路4和用于存储这些记录的和/或处理的GSR信号的存储装置5。存储装置5还存储具有算法的计算机程序产品，该算法被配置为控制唤醒测量设备1或至少控制其处理电路4以处理GSR信号。在一个实施例中，提供人可感知接口6，其可以例如是以某种方式根据测量的唤醒状态提供反馈的显示器。电源(图中未示出)向电子元件供电。
所述计算机程序产品或至少所述算法可以运行设备1或任何计算机，以使用三阶或更高阶中心矩根据记录的GSR信号进行计算。从该统计计算的结果中可以获得唤醒水平的估计，如随后将被解释的。
根据本发明的算法被配置为使用概率论和统计学中已知的公式，这些公式的特征在本文中被描述为“三阶或更高阶中心矩”。与此相关，“归一化的三阶或更高阶中心矩”可以涉及额外的计算步骤并且是无量纲的。这些应当被认为也包括在“三阶或更高阶中心矩”中。其他表征应当被认为包括在该算法中，比如“关于均值的(归一化)更高阶矩”、“(归一化)三阶或更高阶测量”和“(归一化)三阶或更高阶累积量”等等。有时在本文中，当提到“更高阶矩”时，表示“三阶或更高阶矩”并且还应当被理解为包括在该算法中。本领域技术人员将认识到相似的表征。
三阶和四阶中心矩分别用于定义偏度和峰度。特别地，归一化三阶中心矩和归一化四阶中心矩分别被称为偏度和峰度，并且是无量纲量。而且更高阶矩可以在本发明的范围内使用。
所述偏度表征在其均值周围的分布的不对称程度，并且表征该分布的形状。峰度度量分布相对于正态分布的相对“峰度”或平坦性。偏度和峰度通常被分别定义为：
偏度[x1...xn]＝(1/N)*∑((xj-μ)/σ)3，和
峰度[x1，..，xn]＝(1/N*∑((xj-μ)/σ)4)-3，
其中μ＝[x1，...，xn]的平均＝(1/N)*∑xj，且
方差＝σ2＝[x1，...，xn]的标准差2＝1/N*∑(xj-μ)2。
从所实施的实验中可以看出较低的测量的偏度值指示唤醒提高而较高的峰度值也指示唤醒提高。另一方面，高偏度和低峰度涉及唤醒的降低，即放松提高。因此，从测量的GSR信号的偏度和峰度，可以获得用户的相对唤醒状态。从该实验中可以发现对于通过计算偏度和峰度来测量唤醒，在实验之前或期间不需要校准。测量的偏度和/或峰度结果可以相对直接地被解释。
与唤醒直接相关的概念可以例如是神经过敏、兴奋、紧张、愤怒等等。本领域技术人员将认识到类似的情绪。例如，唤醒的相反可以被描述为放松。而且对于“放松”，技术人员将理解其同义词或相同的情绪可以在本发明的范围内被测量。
可以在其中测试22个主体的实验中测量偏度和峰度。图2和3分别示出偏度和峰度的平均分(score)，在两个120秒的电影片段显示期间针对该实验计算所述平均分。对这两个图，水平轴9涉及测量时间，其被划分为12个10秒的剪辑(excerpt)。图2和3的竖直轴10分别对应于所计算的偏度值和峰度值。在这两个图中，虚线7对应于被称为“最后的目的地”(2000，新线电影院)的影片的片段，在该片段中，在大约第60秒公共汽车出乎意料地撞到一个学生。该“令人惊恐的意外”可以从虚线7获得。对于偏度，在图2中，虚线7示出在点11处在大约第60秒处的相对较低的偏度分。对于图3，在大约60秒处在点12处存在相对较高的峰度分，更确切地最高分处于50秒处。这两个点11、12在大约例如50-70秒之间，指示符合所述“令人惊恐的意外”的唤醒的高水平。因此相对较高的唤醒状态可以从GSR信号的(归一化)更高阶中心矩获得，至少对于偏度和峰度而言是这样。
在图2和3中，连续线8对应于来自“狮子王”(1994年，Walt Disney)的电影片段，其中主要电影人物之一释放了他父亲。该片段从相对增加的紧张水平开始并且以相对稳定的紧张水平持续。该增加的和随后稳定的紧张也可以从两个图中的连续线8获得，在相对较高的紧张度开始，即其中偏度较低(图2)而峰度较高(图3)并且以相对稳定的过程持续。
对于上述实验，以10秒的时间间隔测量GSR偏度和峰度。这些时间间隔也可以更短或更长。例如也可以使用2.5秒或60秒的时间间隔。时间间隔的选择可以依赖于应用。例如，对于博采业可以使用相对较短的时间间隔，而例如对于瑜伽(Yoga)，可以针对相对较长的周期测量唤醒状态。不用说，这些实例不应当被理解为限制本发明。
在实施例中，所述算法被配置为控制计算机以当计算的偏度低于阈值13(大约-0.5)(参见图2)时传输通知唤醒水平增加的信号。该阈值13已经被发现符合用户的唤醒的或多或少提升的水平，至少符合唤醒水平的相对较高的增加。然而，其他值也可以适于用作阈值13，例如-0.3或-0.7。阈值13的选择可以例如取决于应用。在另一个实施例中，使用多个阈值13，从而指示不同的唤醒水平，例如0.3、0.5和0.7。根据相同的原理，所述算法可以被配置为控制计算机以当计算的峰度高于大约0.5的阈值14(参见图3)时指示唤醒水平的提升水平和/或增加，尽管更低或更高的阈值14也是适合的，比如0.3或0.7。而且在这里，可以应用多个阈值14。
当唤醒的变化(即增加或减少)超过阈值13、14时，所述算法被配置为使处理器发信号通知可感知接口6向用户提供感觉输出。例如，用户可感知接口6可以包括显示器和/或扬声器系统，从而以视觉方式和/或通过声音发信号通知用户他的或她的唤醒状态相对较高或较低，即已经超过阈值13、14。用户可感知接口6也可以被配置为以几乎不可察觉的方式响应于测量的状态，例如从而使得用户几乎不会注意到提供了反馈。在实例中，包括游戏站(gaming station)并且被配置为实时响应接收到的唤醒状态。例如，通过本发明，也可以实时地发信号通知唤醒状态，从而使得游戏站或本发明的任何其他实施例将对用户的当前状态做出反应或至少有不超过数秒钟的延迟。该延迟可以仅仅是一秒的几分之一、几秒、或者任何有益的时间段，和/或可以例如取决于什么时间间隔被用于计算三阶或更高阶中心矩或归一化的三阶或更高阶中心矩。本发明的实施例可以例如连接到和/或嵌入各种应用中，比如放松产品、娱乐业、博彩业、操作者的最佳表现、生物反馈治疗、产品评价、体育、仿真等等。
一般地，根据本发明的自动化唤醒测量方法可以例如在这样的领域是有用的：其中某个系统想要知道用户的情绪状态，以及其中以自动化的方式使反馈和运行适应所述情绪状态是有利的，例如使得用户的情绪状态可以以反应的方式受到影响，或者例如可以由医生(比如牙医或外科医生等)读取。该适配的反馈和/或运行可以例如以这样的方式进行：其对于用户来说相对受欢迎或者不那么容易被察觉到。
本发明的一个实施例是一种游戏，如果用户的对手进入紧张或唤醒状态则给出附加点，其中紧张/或唤醒水平被实时测量。而且，可以根据唤醒测量来调整工厂操作工的工作量，从而这些操作工可以更加优化地发挥作用。例如在产品评价中，可以读取与样品的使用相关的紧张水平，例如使得可以根据该测量改进该产品。显然，多个相似的和其他应用在本发明的范围内可以是适合的。
如果本发明的实施例与能够测量用户的精神生理状态的其他精神生理传感器相结合，则可以升级结果的可靠性。例如，与例如用于测量心搏和/或心率变异性的心搏传感器、肌肉张力传感器等等结合，可以升级GSR测量的结果。而且，为了相同的目标可以计算多个更高阶的中心矩，例如偏度和峰度。可以组合这些测量，使得一个测量可以证实或反驳其他测量，并且可以获得更加可靠的结果。例如对于特定测量，峰度和偏度应当超过特定阈值以便以一定的方式发信号通知给用户。
显然，本发明不以任何方式受限于说明书和附图中描述的实施例。在由权利要求概括的本发明的框架内，许多改变和修改是可能的。实施例的一个或多个方面的组合或不同实施例的组合在本发明的框架内是可能的。所有相当的改变被理解为落入由权利要求概括的本发明的框架内。

Claims (15)

1.用于处理GSR(皮肤电反应)信号的计算机程序产品，当其在计算机上运行时控制该计算机以估计用户的唤醒水平或至少估计用户的唤醒水平的变化，该计算机程序产品设有这样的算法：其被配置为控制计算机以计算记录的GSR信号的三阶或更高阶中心矩并且从所述三阶或更高阶中心矩获得唤醒水平的估计。
2.根据权利要求1的计算机程序产品，其中所述三阶或更高阶矩包括偏度和/或峰度，并且其中该算法被配置为控制所述计算机以当计算出相对较低的偏度和/或相对较高的峰度时获得唤醒水平的增加，和/或当计算出相对较高的偏度和/或相对较低的峰度时获得唤醒水平的降低。
3.根据权利要求1或2的计算机程序产品，其中所述算法被配置为控制所述计算机以当所述唤醒水平的变化和/或唤醒水平超过一定的阈值时发信号通知给用户可感知接口。
4.根据权利要求3的计算机程序产品，其中所述算法被配置为控制所述计算机以近似实时地发信号通知给所述用户可感知接口。
5.根据权利要求2-4中任一项的计算机程序产品，其中所述算法被配置为控制所述计算机以当所计算的偏度低于设定的例如约为-0.3、优选地约为-0.5的阈值时发信号通知唤醒水平的增加。
6.根据权利要求2-5中任一项的计算机程序产品，其中所述算法被配置为控制所述计算机以当所计算的峰度高于设定的例如约为0.3、优选地约为0.5的阈值时指示唤醒水平的增加。
7.用于处理所记录的GSR信号以估计用户的唤醒水平或至少估计唤醒水平的变化的唤醒测量设备，该唤醒测量设备设有用于记录来自用户身体的GSR信号的GSR传感器、用于处理所记录的GSR信号的处理电路、以及用于存储所记录的和/或经处理的GSR信号以及计算机程序产品的存储器装置，所述计算机程序产品是根据任何权利要求中任一项的计算机程序产品，当其运行在唤醒测量设备上时控制该设备以估计唤醒水平。
8.根据权利要求7的唤醒测量设备，其设有用于向用户提供感觉输出的用户可感知接口。
9.根据权利要求7或8的唤醒测量设备，其与配置为用于估计用户情绪状态的其他精神生理测量设备相结合。
10.唤醒测量设备，其设有用于记录来自用户的GSR信号的GSR(皮肤电反应)传感器、用于处理所记录的GSR信号的处理电路、以及用于存储所记录的和/或经处理的GSR信号以及算法的存储器装置，其中该算法被配置为控制该唤醒测量设备以计算所记录的GSR信号的三阶或更高阶中心矩并且从所述三阶或更高阶中心矩获得唤醒水平的估计或至少获得唤醒水平的变化的估计。
11.用于估计用户的唤醒水平或至少估计用户的唤醒水平的变化的方法，其中从GSR传感器接收GSR信号，其中计算GSR信号的三阶或更高阶中心矩，其中所述三阶或更高阶中心矩用于获得唤醒水平的估计或至少获得唤醒水平的变化的估计。
12.根据权利要求11的方法，其中所述三阶或更高阶矩包括偏度和/或峰度，并且当计算出相对较低的偏度和/或相对较高的峰度时，获得唤醒水平的增加，而当计算出相对较高的偏度和/或相对较低的峰度时，获得唤醒水平的降低。
13.根据权利要求11或12的方法，其中至少当唤醒水平的变化超过一定的阈值时，该变化至少近似实时地被发信号通知给用户可感知接口。
14.根据权利要求11-13中任一项的方法，其中当所计算的偏度低于设定的例如约为-0.3、优选地约为-0.5的阈值时发信号通知所述唤醒水平的增加。
15.根据权利要求11-14中任一项的方法，其中当所计算的峰度高于设定的例如约为0.3、优选地约为0.5的阈值时发信号通知所述唤醒水平的增加。
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