KR100281650B1 - 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법에 관한 것으로서, 두피에 부착된 한 개의 전극을 통해 기준선 설정없이 뇌파의 분석을 통해 피험자의 감성적 긍정/부정 상태를 판별하기 위해 검출한 뇌파에 대해 고속 푸리에 변환을 한 후 주파수 대역을 세부 대역으로 나누어, 상대 출력을 계산하고, 이를 반복하여 피험자의 두뇌에서 자발적으로 일어나는 감성처리와 관련된 주파수 성분에 대한 시간대 상대 출력을 구하며, 얻은 상대 출력을 작은 시간 내에서의 요동을 무시하기 위해 이웃하는 데이터와의 평균으로 완화하고, 완화된 데이터에 대해 최소자승법을 이용하여 시간에 따른 증감 기울기를 구하며, 얻은 증감 기울기에 역치를 도입하여, 그 이상의 기울기에 대한 시간에 따른 증가 또는 감소를 결정하여 증가 또는 감소가, 낮은 주파수 성분이 감소하고 높은 주파수 성분이 증가하면 부정적 감성 상태로, 낮은 주파수 성분이 증가하고 높은 주파수 성분이 감소하면 긍정적 감성상태로 판별함으로써, 실시간 사용을 가능하게 하고, 상기 세부대역에서 얻은 상대 출력의 시간에 따른 증감만으로 긍정/부정 감성 상태를 판별하여 기준선을 설정할 필요없이 피험자의 긍정/부정 감성상태를 판별하도록 하고, 이를 대상으로 인간-기계 인터페이스로 사용할 때 사용자의 불편을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법

본 발명은 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법에 관한 것으로서, 주파수 대역의 세부 대역에서 상대 출력의 시간에 따른 증감을 통해, 기준선 설정없이 긍정/부정 감성 상태를 판별하는 방법에 관한 것이다.

최근 쾌적한 삶을 위해서, 주변 환경에 따라 변화하는 인간의 반응에 대한 정보가 제품 개발 과정에 요구됨에 따라, 주위 환경에 대한 인간 감성 변화를 평가할 수 있는 기술이 필요하다.

그에 따른 방법으로 뇌파를 이용해 사람의 가장 간단한 의사 표시인 좋고, 싫음을 구별하여 소비자의 기호 조사, 감성 공학적 제품 개발에 활용되는 뇌파 분석 방법이 개발되고 있다.

일반적으로 상기 뇌파는 임상 및 뇌기능 연구에서 폭 넓게 이용되어 왔으나, 최근에는 외부 자극에 의한 뇌파의 변조를 통해 사용자의 정신적 상태를 개선하는 바이오피드백(biofeeeedback)과 뇌파 등의 생체신호를 통해 감성을 평가하고 이를 제품 개발에 응용하려는 감성공학, 그리고 언어나 신체의 동작을 거치지 않고 뇌파를 통해 인간과 기계와의 직접적인 인터페이스를 이루려고 하는 두뇌-컴퓨터 인터페이스 분야로 뇌파의 응용 범위는 점차로 넓어지고 있다.

이러한, 뇌파 분석 방법에는 푸리에 변환과 같은 선형 분석법과 상관 차원 추정과 같은 비선형 분석 등이 있는데, 푸리에 변환은 가장 보편적으로 연구되었던 알파파(8-13Hz), 베타파(14-3Hz)와 같은 특정한 주파수 성분에 관한 정보를 얻기에 유용하며, 상관 차원은 뇌파 시계열이 카오스적 신호인가를 알아보기 위해 이용된다.

종래의 뇌파 분석 방법은 데이터를 분석함에 있어서, 자극에 대한 반응시간(30초~1분) 전체의 데이터를 사용하므로서 실시간 이용이 어렵고, 시간에 따라 변화가 심한 비정상적(nonstationary) 뇌파에 대한 적용이 어려우며, 또한, 다른 상태들과의 비교를 위한 기준선이 필요하기 때문에 아무런 자극을 가하지 않았을 때의 뇌파를 측정해야 하는 번거로움이 있다.

그리고, 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 분석 방법은 뇌파 이외에도 심전도, 맥파, 혈류량, 피부 저항 등의 생리 신호와 얼굴 표정 등을 분석 대상으로 하여 판별의 정확도를 높일 수 있으나, 인간-기계 인터페이스로 응용할 때에는 사용자에게 불편을 주는 단점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 뇌파의 특정 주파수 대역의 세부 대역에서 얻은 상대 출력의 시간에 따른 증감을 통해, 긍정/부정 감성 상태를 판별하고, 자극에 대한 반응시간 전체가 아닌 단위 시간에 대한 푸리에 변환을 얻고 이를 시간에 따라 계속 이행하는 시간-주파수 분석 방법을 제공하여, 실시간 이용이 용이하고, 특정 주파수 대역의 세부 대역에서 얻은 상대 출력의 시간에 따른 증감만으로 긍정/부정 감성 상태를 판별하여, 기준선을 설정하지 않도록 하고, 몇 개의 전극에서 측정하는 뇌파만을 분석 대상으로 하여, 인간-기계 인터페이스로 사용할 때, 사용자의 불편을 최소화하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 뇌파 분석 방법 흐름도,

도 2 는 본 발명에 따른 특정 주파수 대역의 세부 대역에 대한 단위 시간 동안의 그래프도,

도 3 은 도 2 의 주파수 대역에 대한 상대 출력의 시간에 따른 변화 그래프도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 뇌파 분석 방법 흐름도로서, 다음의 7 단계를 포함한다.

S1에서는 두피에 부착된 한 개의 전극에서 기준선 설정없이 피험자의 두뇌에서 일어나는 감성처리와 관련되는 주파수 성분으로부터 두뇌에서 일어나는 감성적 긍정/부정 상태를 직접 알아내기 위하여 측정된 뇌파에 대해 고속 푸리에 변환을 한다. 여기서, 뇌파가 측정되는 두피의 부위는 10-20 국제 전극 배치법의 F4 또는 F3으로 수행 시 기준선 설정이 필요없이 피험자의 긍정/부정 감성 상태를 판별한다.

S2에서는 눈 깜박임, 안구 운동, 근전도 등의 잡파에 둔감한 알파파(8-13Hz)등의 두뇌에서 일어나는 시각, 청각, 후각, 촉각 등의 자극형태와 관계없이 피험자의 긍정/부정 감성 상태에 대한 감성처리와 관련되는 주파수 성분을 선택한 후, 상기 주파수 성분대역을 A(8-9Hz), B(9-10Hz), C(10-11Hz), D(11-13Hz) 등의 세부 대역으로 나누고, 그 세부 대역에 속한 출력(PA, PB, PC, PD)을 얻고, 알파파 대역 전체의 출력(PA +PB +PC +PD)으로 앞에서 얻은 세부 대역의 출력들을 나누어 상대 출력을 얻는다. 여기서, 상대 출력을 구하는 이유는, 주파수 전 대역의 뇌파가 증폭되어 두뇌에서 자발적으로 일어나는 감성처리와 관련되는 주파수 대역 내의 주파수 성분의 변화는 없는데도 마치 있는 것처럼 나타나는 경우를 방지하기 위한 것이다. 그리고, 세부 대역을 다르게 설정하거나 알파파 이외의 특정 주파수 대역을 선택하는 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다.

S3에서는 상기 S1, S2 과정을 시간에 따라 계속적으로 반복 이행하여, 세부 대역 A, B, C, D에 대한 시간 대 상대 출력을 얻고, S4에서는 상기 S3에서 얻은 상대 출력에 대해 작은 시간 내에서의 요동을 무시하기 위해 이웃하는 데이터와의 평균을 취하는 완화(smoothing)를 한다.

S5에서는 상기 S4에서 완화된 데이터에 대해 최소자승법을 이용하여 시간에 따른 증감 기울기를 얻는다. 여기서 승강 기울기를 구하는데 사용하는 시간 구간은 판별의 정확도와 신속도를 고려하여 결정하면 된다.

S6에서는 상기 S5에서 얻은 증감 기울기에 적절한 역치를 도입하여, 그 이상의 기울기에 대해서 시간에 따른 증가 또는 감소를 결정한다. S7에서는 상기 S6에서 결정된 증가 또는 감소가, 낮은 주파수 성분(느린 알파파)이 감소하고 높은 주파수 성분(빠른 알파파)이 증가하면 부정적 감성 상태(불쾌한 상태)로, 낮은 주파수 성분이 증가하고 높은 주파수 성분이 감소하면 긍정적 감성 상태(유쾌한 상태)로 판별한다.

상기와 같이 본 발명에서는 상기 뇌파의 이용분야를 인체를 대상으로 진단하는 것에 국한하지 않고, 산업분야에 이용될 수도 있도록 하였다.

도 2 는 본 발명에 따른 피험자의 두뇌에서 자발적으로 일어나는 감성처리와 관련된 주파수 성분의 세부 대역에 대한 단위 시간 동안의 출력 그래프도로서, 특정 주파수 대역의 세부 대역 A(8-9Hz), B(9-10Hz), C(10-11Hz), D(11-13Hz) 및 뇌파의 분석을 통한 감성적 긍정/부정 상태 판별을 위한 출력(PA, PB, PC, PD)을 나타낸다.

도 3 은 도 2 의 주파수 대역 및 뇌파의 분석을 통한 자극 형태에 관계없이 피험자의 긍정/부정 감성 상태를 판별하기 위한 상대 출력의 시간에 따른 변화 그래프도로서, 도 2 의 세부 대역에 대한 출력(PA, PB, PC, PD) 각각을 알파파 대역 전체의 출력(PA+PB+PC+PD)으로 나누어 얻어진 상대 출력이 시간이 변함에 따라 각각 변함을 나타낸다.

상기와 같이 본 발명은 기준선 설정없이 단위 시간마다 피험자의 두뇌에서 일어나는 감성처리와 관련되는 주파수 성분의 세부 대역에서 상대 출력을 구하여 증감을 결정하여, 실시간 사용이 용이하고, 시간에 따른 상대 출력의 증감만으로 긍정/부정 상태를 결정하여, 기준선의 설정이 필요 없으며, 한 개의 전극에서 측정하는 뇌파만을 사용하고 다른 생리 신호나 얼굴 표정 등을 사용하지 않고 시각, 청각, 후각, 촉각 등의 자극 형태에 관계없이 피험자의 긍정/부정 감성 상태를 알려줌에 따라, 인간-기계 인터페이스로 응용할 경우, 사용자에게 주는 불편감을 최소화할 수 있다.

본 발명은 뇌파의 특정 주파수 대역의 세부 대역에서 얻은 상대 출력의 시간에 따른 증감을 통해, 긍정/부정 감성 상태를 판별하고, 자극에 대한 반응시간 전체가 아닌 단위 시간에 대한 푸리에 변환을 얻고 이를 시간에 따라 계속 이행하는 시간-주파수 분석 방법을 제공함으로써, 실시간 사용이 용이하고, 특정 주파수 대역의 세부 대역에서 얻은 상대 출력의 시간에 따른 증감만으로 긍정/부정 감성 상태를 판별하여, 기준선을 설정하지 않도록 하고, 몇 개의 전극에서 측정하는 뇌파만을 분석 대상으로 하여, 인간-기계 인터페이스로 사용할 때, 사용자의 불편을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 푸리에 변환을 사용하는 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법에 있어서, 두피에 부착된 한 개의 전극을 통해 기준선 설정없이 뇌파의 분석을 통해 피험자의 감성적 긍정/부정 상태를 판별하기 위하여 검출한 뇌파에 대해 고속 푸리에 변환을 하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 푸리에 변환된 뇌파의 주파수 대역을 세부 대역으로 나누고, 상대 출력을 계산하는 제 2 단계와; 상기 제 1 단계와 제 2 단계를 반복하여 피험자의 두뇌에서 자발적으로 일어나는 감성처리와 관련된 주파수 성분에 대한 시간대 상대 출력을 구하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계에서 얻은 상대 출력을 작은 시간 내에서의 요동을 무시하기 위해 이웃하는 데이터와의 평균으로 완화하는 제 4 단계와; 상기 제 4 단계에서 완화된 데이터에 대해 최소자승법을 이용하여 시간에 따른 증감 기울기를 구하는 제 5 단계와; 상기 제 5 단계에서 얻은 증감 기울기에 역치를 도입하여, 그 이상의 기울기에 대해 시간에 따른 증가 또는 감소를 결정하는 제 6 단계와; 상기 제 6 단계에서 결정된 증가 또는 감소가, 낮은 주파수 성분이 감소하고 높은 주파수 성분이 증가하면 부정적 감성 상태로, 낮은 주파수 성분이 증가하고 높은 주파수 성분이 감소하면 긍정적 감성상태로 판별하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제 1 단계는, 뇌파가 측정하는 두피의 부위를 10-20 국제 전극 배치법의 F4, F3으로 설정하여기준선 설정없이 피험자의 긍정/부정 감성 상태를 판별하는 것을 특징으로 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제 2 단계는, 눈 깜박임, 안구 운동, 근전도 등의 잡파에 둔감한 알파파(8-13Hz)를 피험자의 두뇌에서 자발적으로 일어나는 감성처리와 관련된 주파수 성분으로 하는 것을 특징으로 하는 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제 3 단계는, 기준선 설정없이 뇌파의 분석을 통해 자극 형태에 관계없이 피험자의 긍정/부정 감성 상태를 판별하기 위하여 A(8-9Hz), B(9-10Hz), C(10-11Hz, D(11-13Hz) 등의 세부 대역으로 나누고, 그 세부 대역에 속한 출력(PA, PB, PC, PD)을 얻고, 알파파 대역 전체의 출력(PA + PB + PC + PD)으로 세부 대역의 출력들을 나누어 상대 출력을 계산하는 것을 특징으로 하는 긍정/부정 감성 상태 판별을 위한 뇌파 분석 방법.

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