KR100291596B1 - 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별방법 - Google Patents

좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
본 발명은 좌/우뇌에서 측정된 뇌파의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 이용하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 인간의 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법에 있어서, 좌/우뇌의 두피에 부착된 전극에서 단위시간동안 측정한 뇌파 데이터를 이용하여 좌/우뇌 활동의 비대칭율을 얻는 제 1 단계; 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간을 초과했는지를 확인하여 측정 뇌파를 이루는 각 주파수에 대한 시간 대 비대칭율을 산출하는 제 2 단계; 제 2 단계의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 얻는 제 3 단계; 및 제 3 단계로부터 얻은 각 주파수에 대한 비대칭율의 시간에 따른 증감을 인공 신경회로망에 입력하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 제 4 단계를 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 휴먼 컴퓨터 인터페이스에 이용됨.

Description

좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법.
본 발명은 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법 및 그를 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로서, 좌/우뇌에서 측정된 뇌파의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 이용하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 방법 및 그를 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
두뇌의 활동을 시공간적으로 파악하는 수단인 뇌파는 임상 및 뇌기능 연구에서 폭 넓게 이용되어 왔는데, 최근에는 외부 자극에 의한 뇌파의 변조를 통해 사용자의 정신적 상태를 개선하는 바이오피이드백(biofeedback)과 뇌파, 심전도, 피부저항 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 넓어지고 있다.
종래의 뇌파를 이용한 휴먼 컴퓨터 인터페이스 즉,두뇌-컴퓨터 인터페이스(이하, 간단히 인터페이스라함) 기술은, 분별이 용이한 알파파 등의 특정 뇌파를 고의로 출현시키거나 좌/우뇌 간에 비대칭적인 뇌파를 고의로 출현시키기 위해, 사용자에게 의도적인 학습을 요구하였기 때문에, 뇌파를 통한 의사 인식 및 의사 전달이 아니었으며, 사용자에게 학습을 통한 불편을 주는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 뇌파를 이용한 정신 상태의 분별은, 뇌파 데이터를 분석함에 있어서 자극에 대한 반응 시간 전체(예를 들어 10초에서 30초)의 데이터를 사용하기 때문에 인터페이스로의 응용시 신속성 확보가 어려울 뿐만아니라, 두피 전반에 걸쳐 여러 개의 전극을 부착하여 뇌파를 측정하기 때문에 인터페이스로의 응용시 사용자에게 불편을 주는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 별도의 사용자 학습에 의한 특정 뇌파를 출현시킴 없이 뇌파를 통해 피험자의 감성적 긍정/부정 의사를 인식가능하게 하고, 두 개의 전극을 통해 좌/우뇌에서 측정된 뇌파의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 이용하여 뇌파 데이터를 분석하는, 좌/우 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법 및 그를 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법 일실시예 흐름도.
도 2 는 본 발명에 적용되는 인공 신경회로망의 구성과 작용에 관한 예시도.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인간의 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법에 있어서, 좌/우뇌의 두피에 부착된 전극에서 소정의 단위시간동안 측정한 뇌파 데이터를 이용하여 좌/우뇌 활동의 비대칭율을 얻는 제 1 단계; 상기 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간을 초과했는지를 확인하여 상기 측정 뇌파를 이루는 각 주파수에 대한 시간 대 비대칭율을 산출하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 얻는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계로부터 얻은 각 주파수에 대한 비대칭율의 시간에 따른 증감을 인공 신경회로망에 입력하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 제 4 단계를 포함한다.
본 발명은, 프로세서를 구비한 휴먼 컴퓨터 시스템에, 좌/우뇌의 두피에 부착된 전극에서 소정의 단위시간동안 측정한 뇌파 데이터를 이용하여 좌/우뇌 활동의 비대칭율을 얻는 제 1 기능; 상기 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간을 초과했는지를 확인하여 상기 측정 뇌파를 이루는 각 주파수에 대한 시간 대 비대칭율을 산출하는 제 2 기능; 상기 비대칭율의 시간에 따른 증감을 얻는 제 3 기능; 및 상기 각 주파수에 대한 비대칭율의 시간에 따른 증감을 인공 신경회로망에 입력하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 제 4 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법 일실시예 흐름도이다
먼저, 좌/우뇌의 두피에 부착된 각각의 전극을 통해서 뇌파를 측정한다(11). 여기서 두 전극의 위치는 10-20 국제 전극 배치법에 따른 F3 과 F4를 사용할 수 있는데, 이때 좌뇌 전극의 위치는 F3 이고, 우뇌 전극의 위치는 F4 이다.
그런 후, ″11″에서 측정한 특정 단위시간동안의 뇌파 데이터에 대하여 고속 푸리에 변환을 한다(12).
그리고, 푸리에 변환을 해서 얻은 실수값과 허수값의 각각의 제곱의 합인 출력을 각 주파수에서 얻는다. 좌뇌에서 얻은 출력을 L 이라 하고 우뇌에서 얻은 출력을 R 이라 할 때, 좌/우뇌의 비대칭율 A=(L-R)/(L+R)을 각 주파수에 대해 얻는다(13). 여기서, 비대칭율 A 는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 나타내는 지표인데, 상기A 와 다른 형태의 좌/우뇌 비대칭성을 나타내는 지표에 대해서도 본 발명은 적용된다. 또한 좌/우뇌의 비대칭율을 얻는 주파수 값은 4 - 30 Hz 사이의 값들로 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특정 단위 시간동안 뇌파를 측정하는데, 이 단위시간의 합으로 이루어진 뇌파 측정 시간이 일정 시간 구간을 초과했는지 여부를 판단한다(14). 여기서 일정 시간 구간은 1.024초로 할 수 있으나, 이는 판별의 정확도와 신속도를 고려하여 조정 가능하다.
판단 결과, 뇌파 측정 시간이 일정 시간 구간을 초과하지 않은 경우에는 좌/우 두피의 전극들에서 뇌파를 측정하는 과정(11), 측정한 뇌파에 대해 고속 푸리에변환을 하는 과정(12), 및 각 주파수에서 좌/우뇌 비대칭율을 계산하는 과정(13)과정을 반복 수행한다.
이러한 반복 수행 과정에서 고속 푸리에 변환시 사용되는 창은 시간에 따라 중첩될 수 있다. 본 발명에서는 창의 크기를 0.512초로 하고, 창의 중첩도는 75%로 할 수 있으나, 판별의 정확도와 신속도를 고려하여 창의 크기와 창의 중첩도는 조정될 수 있다.
판단 결과, 뇌파 측정 시간이 일정 시간 구간을 초과한 경우에는 시간 대 비대칭율을 각 주파수에 대해 얻는다(15)
이후, 상기 ″15″ 과정에서 얻은 비대칭율에 대해서, 감성 반응과는 관계가 적은 작은 시간내의 요동을 축소하기 위해 이웃하는 데이터와의 평균을 통하여 완화(smoothing)를 한다(16). 본 발명에서는 이웃하는 데이터와의 평균을 취하는 방법 이외의 완화를 목적으로 행하는 방법도 적용될 수 있다.
이후, 상기 ″16″과정에서 얻은 완화된 비대칭율의 시간에 따른 증감 기울기를 얻는데(17), 이때 비대칭율의 증감 기울기를 얻기 위하여 최소 자승법을 이용할 수 있으며, 증감 기울기를 얻는 시간 구간은 1.024 초로 하였으나, 판별의 정확도와 신속도를 고려하여 조정될 수 있다.
마지막으로, 각 주파수에서 얻은 비대칭율의 시간에 따른 증감 기울기 값이나 증감 기울기의 부호를 학습되어 있는 인공 신경회로망에 입력하고 감성적 긍정/부정 상태를 판별한다(18). 입력 값을 증감 기울기의 부호로 할 때는 적절한 역치를 도입하여 감성 반응과 관계가 적은, 작은 값의 증감 기울기들의 부호는 ″0″으로 한다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 인공신경회로망의 구성과 작용에 관한 예시도이다.
상기 도 1 에서 도시된 과정을 거쳐 얻은 비대칭율의 시간에 따른 증감 변수 즉,증감 기울기 값이나 증감 기울기의 부호를 이용하여 효율적으로 감성적 긍정/부정 상태를 판별하기 위해서 사용되는 공지의 인공 신경회로망을 사용한다.
도 2 에 도시된 바와 같이 인공신경회로망은 입력층(21), 은닉층(22), 및 출력층(23)으로 구성된 다층 퍼셉트론(multilayer perceptron)을 나타낸다.
먼저, 입력은 각 주파수에 대해 얻은 비대칭율 증감 변수(X1, X2, ..., XN-1, XN; 아래 첨자는 사용된 주파수를 가리킴)를 사용하는데, 안구 운동 등의 잡파(artifact)에 영향을 받는 4 Hz 이하의 주파수에 대한 비대칭율 증감 변수는 제외하며, 두뇌의 감성 정보 처리와 관련된 것으로 알려진 세타파(4-7 Hz), 알파파(8-13 Hz)와 베타파(14-30 Hz)에 해당하는 주파수에 대해 적용한다.
여기서, 각 주파수에 대한 비대칭율 증감 변수 대신 특정 주파수 대역(예를 들어 세타파, 알파파, 베타파)에 대한 비대칭율 증감 변수를 입력으로 사용하는 경우에도, 상기 대역들 이외의 주파수에 대한 비대칭율 증감 변수를 입력으로 사용하는 것도 가능하다.
다음으로, 출력은 감성적 긍정/부정의 두 상태가 되며, 신경회로망의 학습은 공지의 오차 역전파(error back-propagation) 알고리즘을 통하여 이루어진다. 각 주파수에 대한 비대칭율 증감 변수로 구성된 입력은 신경회로망의 학습을 위하여 사용되며, 이미 학습이 되어 있는 신경회로망의 경우 입력의 감성적 긍정/부정 상태를 판별한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 별도의 사용자 학습에 의한 특정 뇌파를 출현시킴 없이 뇌파를 통해서 피험자의 감성적 긍정/부정 의사를 인식하기 때문에 뇌파를 통한 자연스러운 의사 전달이 가능하고, 좌/우뇌에서 측정한 뇌파의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 이용하여 약 1초의 뇌파 데이터를 분석에 사용하기 때문에 실시간 인터페이스로의 활용이 가능하며, 또한 좌/우 전두부에 위치한 두 개의 전극에서 뇌파를 측정함으로써 머리띠 형태의 뇌파 검출기를 사용할 수 있기 때문에 뇌파 검출기 착용시 사용자 불편을 최소화할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 휴먼 컴퓨터 시스템에 적용되는 인간의 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법에 있어서,
    좌/우뇌의 두피에 부착된 전극에서 소정의 단위시간동안 측정한 뇌파 데이터를 이용하여 좌/우뇌 활동의 비대칭율을 얻는 제 1 단계;
    상기 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간을 초과했는지를 확인하여 상기 측정 뇌파를 이루는 각 주파수에 대한 시간 대 비대칭율을 산출하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계의 비대칭율의 시간에 따른 증감을 얻는 제 3 단계; 및
    상기 제 3 단계로부터 얻은 각 주파수에 대한 비대칭율의 시간에 따른 증감을 인공 신경회로망에 입력하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 제 4 단계
    를 포함하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    좌/우뇌의 두피에 부착된 전극에서 소정의 단위 시간동안 뇌파를 측정하는 제 5 단계;
    상기 뇌파 데이터에 대해 푸리에 변환을 하는 제 6 단계; 및
    상기 제 6 단계의 결과를 이용해 좌/우뇌의 비대칭율을 산출하는 제 7 단계
    를 포함하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    상기 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간 내이면, 상기 제 1 단계를 수행하는 제 5 단계; 및
    상기 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간을 초과하면, 상기 측정 뇌파를 이루는 각 주파수에 대한 시간 대 비대칭율을 산출하는 제 6 단계
    를 포함하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 5 단계의 전극은,
    뇌파가 측정되는 좌/우뇌의 두개의 전극으로서, 좌뇌 전극의 위치는 10-20 국제 전극 배치법의 F3 로 하고, 우뇌 전극의 위치는 10-20 국제 전극 배치법의 F4로 하는 것을 특징으로 하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는,
    상기 제 2 단계에서 산출한 시간 대 비대칭율에서 비대칭율 값을 완화하는 제 8 단계; 및
    상기 제 8 단계의 완화된 비대칭율의 시간에 따른 증감을 구하는 제 9 단계
    를 포함하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 8 단계의 비대칭율 값의 완화 과정은,
    상기 비대칭율에 대해, 감성 반응과는 관계가 적은 단시간내의 요동을 축소하는 것을 특징으로 하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 9 단계의 비대칭율의 시간에 따른 증감을,
    상기 비대칭율의 시간에 따른 증감 기울기 또는 상기 기울기의 부호로 하는 것을 특징으로 하는 좌/우뇌 활동의 비대칭성을 이용한 감성적 긍정/부정 상태 판별 방법.
  8. 프로세서를 구비한 휴먼 컴퓨터 시스템에,
    좌/우뇌의 두피에 부착된 전극에서 소정의 단위시간동안 측정한 뇌파 데이터를 이용하여 좌/우뇌 활동의 비대칭율을 얻는 제 1 기능;
    상기 뇌파 측정 시간이 소정의 시간 구간을 초과했는지를 확인하여 상기 측정 뇌파를 이루는 각 주파수에 대한 시간 대 비대칭율을 산출하는 제 2 기능;
    상기 비대칭율의 시간에 따른 증감을 얻는 제 3 기능; 및
    상기 각 주파수에 대한 비대칭율의 시간에 따른 증감을 인공 신경회로망에 입력하여 감성적 긍정/부정 상태를 판별하는 제 4 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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