CN112545519B - 一种群体情感同质性的实时评估方法和评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种群体情感同质性的实时评估方法和评估系统，被试者置身于相同的情感诱发环境中，利用联机多通道的脑电设备同时采集多人原始脑电信号，基于小波变换后得到的β频段每秒钟的平均瞬时相位和α频段每秒钟的能量值，实时计算时间同步程度和效价一致程度，并最终得到群体情感同质性指数，用于群体情感同质性的客观评估。本发明实现了多人同步实时测量和分析，能够过程化地对群体情感同质性进行动态监测，有效避免了传统测量手段事后采样、主观性强、社会期许偏差等问题，具有广泛的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及情感计算技术领域，尤其是涉及一种群体情感同质性的实时评估方法和评估系统。
背景技术
情感被誉为人类社会生活的文法（Grammar of Social Living），对于情感的识别和理解是类人智能机器的重要功能之一。由于技术限制和实施难度，以往研究更多聚焦于个体层面的情感分析和识别，忽视了群体层面的情感计算。群体情感是指由于相同的外部刺激或个体间相互感染所产生的人群共同情感体验，包含时间同步程度和效价一致程度两个方面。现阶段群体情感同质性的测量，仍然主要以问卷、自我报告、行为实验等传统方式开展，缺乏客观的、过程化的群体情感同质性计算方法。
发明内容
为解决现有技术的不足，使群体情感同质性实现过程实时化、多人同步化、指标客观化测量的目的，本发明采用如下的技术方案：
一种群体情感同质性的实时评估方法，包括如下步骤：
S1：为多位被试者同时佩戴多通道脑电测量设备；
S2：使被试者置身于相同的情感诱发环境中，并同步采集多个被试者的原始脑电信号；
S3：对位于前额和前颞通道的原始脑电信号进行实时预处理和小波变换，得到β频段每秒钟的平均瞬时相位，并实时计算α频段每秒钟的能量值；
S4：根据所述平均瞬时相位实时计算时间同步程度，根据所述能量值实时计算效价一致程度；
S5：根据所述时间同步程度和效价一致程度实时计算同质性指数；
S6：根据所述同质性指数随时间变化的曲线，对群体情感同质性进行评估和分级。
进一步的，所述步骤S4中的时间同步程度计算公式如下：
T为时间同步程度，S为k行k列的实数矩阵，Sij为相位差值，x代表β频段某位被试者的平均瞬时相位，i代表第i个被试者，j代表第j个被试者，k为被试者总人数。
进一步的，所述步骤S4中的效价一致程度计算公式如下：
V为效价一致程度，YM为符号函数，M为k维向量，PL为某位被试前额左侧和前颞左侧通道采集的α频段能量均值，PR为某位被试前额右侧和前颞右侧通道采集的α频段能量均值，i代表第i个被试者，k为被试者总人数。
进一步的，所述步骤S5中的每秒钟群体情感同质性指数的计算公式如下：
E为每秒钟的群体情感同质性指数。
进一步的，所述步骤S3中前额和前颞通道选取方式为：电极点根据国际10-20系统及相关脑区分布配置，且情感时间同步程度的计算选取FP1、FPz、FP2、F7、F8电极点，效价一致程度的计算选取FP1、FPz、FP2、Fz、F3、F4、F7、F8电极点。由于是为多人实时测量，因此对信号的灵敏度要求很高，针对情感时间同步程度，选取FP1、FPz、FP2、F7、F8电极点的β频段平均瞬时相位用于计算，根据研究以及开展的数据测试，β频段平均瞬时相位在上述电极点的灵敏性能最佳，能够有效表征情感的时间同步程度；针对效价一致程度，选取FP1、FPz、FP2、Fz、F3、F4、F7、F8电极点的α频段能量用于计算，通过采集的数据资料表明，α频段能量在不同电极点上有明显的区别，且与情感相关联的α频段能量主要分布脑区与上述电极点分布匹配，同时考虑到系统对灵敏度的要求，因此电极点的选取具有特定性。
进一步的，所述步骤S6中同质性评估和分级标准为：当群体情感同质性指数E≥0.6，认定群体情感同质性强；当0.4≤E＜0.6，认定群体情感同质性趋同；当E＜0.4，认定群体情感同质性不足。
进一步的，所述步骤S1中多通道脑电测量设备，采用32导电极帽，使用盐水或凝胶电极，各个电极点的阻抗低于5kΩ。
一种群体情感同质性的实时评估系统，包括依次连接的情感诱发装置、脑电测量设备组和群体情感同质性计算单元，所述群体情感同质性计算单元包括依次连接的群体脑电信号预处理模块、群体情感同质性计算模块和数据可视化模块；
所述情感诱发装置，作为刺激源诱发被试者的情感；
所述脑电测量设备组，用于同步采集多位被试者的脑电信号，并将其传输给群体脑电信号预处理模块；
所述群体脑电信号预处理模块，用于对采集的脑电信号进行放大、降噪、滤波的预处理；
所述的群体情感同质性计算模块，用于对预处理完毕的脑电信号进行小波变换，得到β频段每秒钟的平均瞬时相位，并实时计算α频段每秒钟的能量值，随后实时计算时间同步程度和效价一致程度，生成群体情感同质性指数；
所述的数据可视化模块，用于展示群体情感同质性指数随时间变化的曲线。
进一步的，所述预处理，是对采集的脑电信号进行放大、分析段截取、降噪、伪迹去除、带通滤波，所述伪迹去除包括去除眼电、肌电、心电、工频干扰。
进一步的，所述情感诱发装置包括影像呈现装置和影像处理与存储装置，用于呈现情感刺激材料，作为视觉刺激源，并对刺激材料进行处理与存储。
本发明的优势和有益效果在于：
1、本发明从时间同步程度和效价一致程度两个方面形成综合计算策略，且具有实时监测的特点，能够科学全面地分析群体情感的同质性。目前脑电识别的研究多是基于幅值特征，而忽视了多脑间相位同步特征。相位同步特性通过信号间的瞬时相位关系来检测信号对之间的相互关系，能够有效识别人们的神经活动同步性。此外，本发明创新性地提出依托特定脑区脑电频段能量进行群体情感效价计算的方法，运用SVM进行二分类（积极、消极）的情感识别准确率达到95.4%。
2、本发明的系统借助于EEG高时间分辨率的特点，实现了多人同步实时监测和动态分析，能够过程化、全流程对群体情感同质性进行研究，有效避免了传统测量手段事后采样、主观性强、社会期许偏差等问题。
3、本发明的系统具有动态监测和可视化的功能，能够帮助用户直观获取群体情感同质性的数据，从而帮助做出科学决策。同时具有非侵入性、安全高效、成本较低的特点，可以商用于电影片段剪辑、广告效果评估、情感诱发材料筛选、VR沉浸效果评估、展厅沉浸体验评估、收视率预测等领域，具有广泛的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
情感体验主要由环境刺激触发，引起大脑功能活动变化、外周自主神经系统的反应以及体内神经化学物质的改变。脑电信号（Electroencephalograph，EEG）是脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映，其包含了大量与情感相关的生理和心理信息，且具有直接客观、难以伪装、容易量化、特征多元等特点，是目前情感识别领域中具有显著效果的认知生理指标。通过同时监测多人脑电信号，基于脑间情感相关神经活动的关联，可以有效监测群体情感同质性。一种群体情感同质性的实时评估方法和评估系统，利用联机多通道的脑电设备同时采集多人EEG数据并进行群体情感的实时动态分析，实现敏捷数据处理和展示。
如图1所示，群体情感同质性的实时评估系统，包括：
情感诱发装置，包括影像呈现装置和影像处理与存储装置，用于呈现情感刺激材料，可以按照平时的浏览习惯，以屏幕作为视觉刺激源。作为一可选实施例，一组被试者同时面对电影屏幕，通过电影片段的播放进行情感诱发。
脑电测量设备组，用于同步采集多位被试者的脑电信号，并将其传输给群体情感同质性计算单元。作为一可选实施例，可以使用EMOTIV EPOC Flex Saline Sensor Kit脑电采集系统（包含控制盒、信号接收器、EPOC Flex Cap、EPOC Flex盐水传感器等），单一ADC，带宽0.16-43 Hz，包含32通道数据，并在耳上配置参考电极2个，设备多机同步顺序采样。EMOTIV EPOC Flex系列性价比高，适合群体性测量的成本控制，已经被相关学者在临床研究中应用，将其数据与BP及Neuroscan这类较为昂贵的设备进行对比，发现其采集的数据质量差别很小。系统所用的主机配置：CPU: Intel Core i7-9700同等或更高配置；GPU:NVIDIA GeForce GTX 2080 Ti同等或更高配置；内存：64 GB RAM；1 TB可用磁盘空间。
群体情感同质性计算单元，该单元包括群体脑电信号预处理模块、群体情感同质性计算模块和数据可视化模块。所述的群体脑电信号预处理模块用于对采集的脑电信号进行放大、分析段截取、降噪、伪迹去除（去除眼电、肌电、心电、工频干扰等）、带通滤波的预处理；所述的群体情感同质性计算模块用于对预处理完毕的脑电信号进行小波变换，得到β频段每秒钟的平均瞬时相位，并实时计算α频段每秒钟的能量值，随后实时计算时间同步程度和效价一致程度，生成群体情感同质性指数；所述的数据可视化模块用于展示群体情感同质性指数随时间变化的曲线，帮助用户对群体情感同质性进行监测，并提供决策的科学依据。
如图2所示，群体情感同质性的实时评估方法，基于上述的实时评估系统来实现，具体包括如下步骤：
S1：为多位被试者同时佩戴多通道脑电测量设备，采用32导电极帽，可使用盐水或凝胶电极，使各个电极点的阻抗低于5kΩ，电极位置配置采用国际统一标准的10-20系统。
S2：使被试者置身于相同的情感诱发环境中，并同步采集多个被试者的原始脑电信号。应使被试者尽量减少头动或其他肢体动作，避免被试者之间的语言交流，减少无关视觉或听觉刺激源的干扰。
S3：对位于前额和前颞通道的原始脑电信号进行实时预处理和小波变换，得到β频段每秒钟的平均瞬时相位，并实时计算α频段每秒钟的能量值。前额和前颞通道选取方式为：根据国际10-20系统及相关脑区分布配置电极点，情感时间同步程度的计算选取FP1、FPz、FP2、F7、F8电极点，效价一致程度的计算选取FP1、FPz、FP2、Fz、F3、F4、F7、F8电极点。
S4：根据S3得到的平均瞬时相位实时计算群体情感时间同步程度，根据S3得到的能量值实时计算效价一致程度。
时间同步程度T计算公式如下：
其中，S为k行k列的实数矩阵，Sij为相位差值，x代表β频段某位被试者的平均瞬时相位，i代表第i个被试者，j代表第j个被试者，k为被试者总人数。
效价一致程度V计算公式如下：
其中，YM为符号函数，M为k维向量，PL为某位被试前额左侧和前颞左侧通道采集的α频段能量均值，PR为某位被试前额右侧和前颞右侧通道采集的α频段能量均值，i代表第i个被试者，k为被试者总人数。
S5：根据S4的时间同步程度和效价一致程度实时计算群体情感同质性指数。每秒钟群体情感同质性指数E的计算公式如下：
S6：根据同质性指数随时间变化的曲线，对群体情感同质性进行评估和分级。对同质性进行评估和分级的标准为：当群体情感同质性指数E≥0.6，认定群体情感同质性强；当0.4≤E＜0.6，认定群体情感同质性趋同；当E＜0.4，认定群体情感同质性不足。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种群体情感同质性的实时评估方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：为多位被试者同时佩戴多通道脑电测量设备；
S2：使被试者置身于相同的情感诱发环境中，并同步采集多个被试者的原始脑电信号；
S3：对位于前额和前颞通道的原始脑电信号进行实时预处理和小波变换，得到β频段每秒钟的平均瞬时相位，并实时计算α频段每秒钟的能量值；
S4：根据所述平均瞬时相位实时计算时间同步程度，根据所述能量值实时计算效价一致程度；
效价一致程度计算公式如下：
V为效价一致程度，YM为符号函数，M为k维向量，PL为某位被试前额左侧和前颞左侧通道采集的α频段能量均值，PR为某位被试前额右侧和前颞右侧通道采集的α频段能量均值，i代表第i个被试者，k为被试者总人数，1≤i≤k；
S5：根据所述时间同步程度和效价一致程度实时计算同质性指数；
S6：根据所述同质性指数随时间变化的曲线，对群体情感同质性进行评估和分级。
2.根据权利要求1所述的一种群体情感同质性的实时评估方法，其特征在于所述步骤S4中的时间同步程度计算公式如下：
T为时间同步程度，S为k行k列的实数矩阵，Sij为相位差值，x代表β频段某位被试者的平均瞬时相位，i代表第i个被试者，j代表第j个被试者，k为被试者总人数，1≤i≤k，1≤j≤k。
3.根据权利要求2所述的一种群体情感同质性的实时评估方法，其特征在于所述步骤S5中的每秒钟群体情感同质性指数的计算公式如下：
E为每秒钟的群体情感同质性指数。
4.根据权利要求1所述的一种群体情感同质性的实时评估方法，其特征在于所述步骤S3中前额和前颞通道选取方式为：电极点根据国际10-20系统及相关脑区分布配置，且情感时间同步程度的计算选取FP1、FPz、FP2、F7、F8电极点，效价一致程度的计算选取FP1、FPz、FP2、Fz、F3、F4、F7、F8电极点。
5.根据权利要求3所述的一种群体情感同质性的实时评估方法，其特征在于所述步骤S6中同质性评估和分级标准为：当群体情感同质性指数E≥0.6，认定群体情感同质性强；当0.4≤E＜0.6，认定群体情感同质性趋同；当E＜0.4，认定群体情感同质性不足。
6.根据权利要求1所述的一种群体情感同质性的实时评估方法，其特征在于所述步骤S1中多通道脑电测量设备，采用32导电极帽，使用盐水或凝胶电极，各个电极点的阻抗低于5kΩ。
7.一种群体情感同质性的实时评估系统，包括依次连接的情感诱发装置、脑电测量设备组和群体情感同质性计算单元，其特征在于所述群体情感同质性计算单元包括依次连接的群体脑电信号预处理模块、群体情感同质性计算模块和数据可视化模块；
所述情感诱发装置，作为刺激源诱发被试者的情感；
所述脑电测量设备组，用于同步采集多位被试者的脑电信号，并将其传输给群体脑电信号预处理模块；
所述群体脑电信号预处理模块，用于对采集的脑电信号进行放大、降噪、滤波的预处理；
所述的群体情感同质性计算模块，用于对预处理完毕的脑电信号进行小波变换，得到β频段每秒钟的平均瞬时相位，并实时计算α频段每秒钟的能量值，随后实时计算时间同步程度和效价一致程度，生成群体情感同质性指数；
效价一致程度计算公式如下：
V为效价一致程度，YM为符号函数，M为k维向量，PL为某位被试前额左侧和前颞左侧通道采集的α频段能量均值，PR为某位被试前额右侧和前颞右侧通道采集的α频段能量均值，i代表第i个被试者，k为被试者总人数，1≤i≤k；
所述的数据可视化模块，用于展示群体情感同质性指数随时间变化的曲线。
8.根据权利要求7所述的一种群体情感同质性的实时评估系统，其特征在于所述预处理，是对采集的脑电信号进行放大、分析段截取、降噪、伪迹去除、带通滤波，所述伪迹去除包括去除眼电、肌电、心电、工频干扰。
9.根据权利要求8所述的一种群体情感同质性的实时评估系统，其特征在于所述情感诱发装置包括影像呈现装置和影像处理与存储装置，用于呈现情感刺激材料，作为视觉刺激源，并对刺激材料进行处理与存储。
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