KR102334595B1 - Emotion recongnition method and device - Google Patents

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KR102334595B1
KR102334595B1 KR1020200179627A KR20200179627A KR102334595B1 KR 102334595 B1 KR102334595 B1 KR 102334595B1 KR 1020200179627 A KR1020200179627 A KR 1020200179627A KR 20200179627 A KR20200179627 A KR 20200179627A KR 102334595 B1 KR102334595 B1 KR 102334595B1
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correlation
eeg signal
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emotion
channel
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KR1020200179627A
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김은이
김룡빈
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

Embodiments of the present invention provide techniques for improving emotion recognition performance by reducing influence of an individual character in an emotion recognition system based on brain waves. Disclosed are an emotion recognition method and device. According to an embodiment of the present invention, emotion recognition method comprises: a step of acquiring a multi-channel EEG signal; a step of extracting correlation features between channels of the EEG signal; and a step of classifying emotion corresponding to the EEG signal based on the correlation feature.

Description

감정 인식 방법 및 장치{EMOTION RECONGNITION METHOD AND DEVICE}EMOTION RECONGNITION METHOD AND DEVICE

본 개시는 감정 검출 방법 및 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to an emotion detection method and apparatus.

EEG(electroencephalogram), EMG(electromyogram) 및 ECG(electrocardiogram) 등의 생체 신호는 인간의 심리 상태를 파악하는데 상관관계가 매우 큰 정보가 될 수 있다. 이를 통해, 생체 신호를 검출할 수 있는 스마트 워치 등의 웨어러블 디바이스를 이용한 감정 상태 모니터링 기술이 개발되고 있다.Biosignals, such as electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG), and electrocardiogram (ECG), can be highly correlated information for understanding a human's psychological state. Through this, an emotional state monitoring technology using a wearable device such as a smart watch capable of detecting a biosignal is being developed.

뇌파 기반 감정 인식 기술은 성격, 성별 등에 따른 개인 차이에 영향을 많이 받으며, 동일인의 경우에도 건강, 기분, 주위 환경 등 여러 가지 조건에 따라 큰 영향을 받을 수 있다.EEG-based emotion recognition technology is greatly affected by individual differences according to personality and gender, and even the same person can be greatly affected by various conditions such as health, mood, and surrounding environment.

관련 선행기술로, 한국 등록특허공보 제10-2175997호(발명의 명칭: 뇌파 기반의 사용자 의도 인식 방법 및 장치)가 있다.As a related prior art, there is Korean Patent Registration No. 10-2175997 (Title of the Invention: EEG-based User Intention Recognition Method and Apparatus).

아래 실시예들은 뇌파에 기초한 감정 인식 시스템에 있어서, 개인별 특징의 영향을 줄여 감정 인식 성능을 향상시키는 기술을 제공한다.The following embodiments provide techniques for improving emotion recognition performance by reducing the influence of individual characteristics in an emotion recognition system based on brain waves.

다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems are not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.

일 실시예에 따른 감정 인식 방법은, 다채널의 뇌파 신호를 획득하는 단계와, 상기 뇌파 신호의 채널들 사이의 상관 관계 특징을 추출하는 단계와, 상기 상관 관계 특징에 기초하여 상기 뇌파 신호에 대응하는 감정을 분류하는 단계를 포함한다.The emotion recognition method according to an embodiment includes: obtaining a multi-channel EEG signal; extracting a correlation feature between channels of the EEG signal; and corresponding to the EEG signal based on the correlation characteristic. It includes the step of classifying the emotion.

상기 추출하는 단계는, 일정 시간 간격으로 상기 뇌파 신호의 평균 값을 계산하는 단계와, 상기 평균 값에 기초하여 상기 상관 관계 특징을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The extracting may include calculating an average value of the EEG signal at regular time intervals, and calculating the correlation feature based on the average value.

상기 상관 관계 특징의 각 성분은, 두 채널 사이 상기 평균 값의 피어스 상관 계수(Pearson correlation coefficient)일 수 있다.Each component of the correlation characteristic may be a Pearson correlation coefficient of the average value between two channels.

상기 분류하는 단계는, 상기 상관 관계 특징을 뉴럴 네트워크에 입력하는 단계를 포함할 수 있다.The classifying may include inputting the correlation feature into a neural network.

상기 뉴럴 네트워크는, 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)일 수 있다.The neural network may be a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers.

상기 분류하는 단계는, 상기 상관 관계 특징에서 개인별 특징을 필터링하여 상기 감정을 분류하는 단계를 포함할 수 있다.The classifying may include classifying the emotion by filtering individual features from the correlation features.

일 실시예에 따른 감정 인식을 위한 뉴럴 네트워크의 학습 방법은, 다채널의 뇌파 신호를 획득하는 단계와, 상기 뇌파 신호의 채널들 사이의 상관 관계 특징을 추출하는 단계와, 상기 상관 관계 특징에 기초하여 뉴럴 네트워크의 파라미터를 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다.A method for learning a neural network for emotion recognition according to an embodiment includes: obtaining a multi-channel EEG signal; extracting a correlation feature between channels of the EEG signal; to update the parameters of the neural network.

상기 추출하는 단계는, 일정 시간 간격으로 상기 뇌파 신호의 평균 값을 계산하는 단계와, 상기 평균 값에 기초하여 상기 상관 관계 특징을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The extracting may include calculating an average value of the EEG signal at regular time intervals, and calculating the correlation feature based on the average value.

상기 상관 관계 특징의 각 성분은, 두 채널 사이 상기 평균 값의 피어스 상관 계수(Pearson correlation coefficient)일 수 있다.Each component of the correlation characteristic may be a Pearson correlation coefficient of the average value between two channels.

상기 뉴럴 네트워크는, 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)일 수 있다.The neural network may be a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers.

일 실시예에 따른 감정 인식 장치는, 인스트럭션들을 포함하는 메모리와, 상기 인스트럭션들을 실행하기 위한 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 상기 인스트럭션들이 실행될 때, 상기 프로세서는, 다채널의 뇌파 신호를 획득하고, 상기 뇌파 신호의 채널들 사이의 상관 관계 특징을 추출하고, 상기 상관 관계 특징에 기초하여 상기 뇌파 신호에 대응하는 감정을 분류한다.The emotion recognition apparatus according to an embodiment includes a memory including instructions and a processor for executing the instructions, and when the instructions are executed by the processor, the processor obtains a multi-channel EEG signal and , extracts a correlation feature between channels of the EEG signal, and classifies an emotion corresponding to the EEG signal based on the correlation feature.

상기 프로세서는, 일정 시간 간격으로 상기 뇌파 신호의 평균 값을 계산하고, 상기 평균 값에 기초하여 상기 상관 관계 특징을 계산할 수 있다.The processor may calculate an average value of the EEG signal at regular time intervals, and calculate the correlation feature based on the average value.

상기 상관 관계 특징의 각 성분은, 두 채널 사이 상기 평균 값의 피어스 상관 계수(Pearson correlation coefficient)일 수 있다.Each component of the correlation characteristic may be a Pearson correlation coefficient of the average value between two channels.

상기 프로세서는, 상기 상관 관계 특징을 뉴럴 네트워크에 입력할 수 있다.The processor may input the correlation feature to the neural network.

상기 뉴럴 네트워크는, 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)일 수 있다.The neural network may be a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers.

상기 프로세서는, 상기 상관 관계 특징에서 개인별 특징을 필터링하여 상기 감정을 분류할 수 있다.The processor may classify the emotion by filtering individual characteristics from the correlation characteristics.

도 1은 일 실시예에 따른 감정 인식 시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 감정 인식 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 시각화된 상관 관계 특징을 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 감정 인식 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 감정 인식을 위한 뉴럴 네트워크의 학습 방법을 나타내는 흐름도이다.
1 illustrates an emotion recognition system according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram for explaining an operation of the emotion recognition apparatus shown in FIG. 1 .
3 shows the visualized correlation features.
4 is a flowchart illustrating an emotion recognition method according to an exemplary embodiment.
5 is a flowchart illustrating a method of learning a neural network for emotion recognition according to an embodiment.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments are disclosed for purposes of illustration only, and may be changed and implemented in various forms. Accordingly, the actual implemented form is not limited to the specific embodiments disclosed, and the scope of the present specification includes changes, equivalents, or substitutes included in the technical idea described in the embodiments.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Although terms such as first or second may be used to describe various components, these terms should be interpreted only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected to” another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it should be understood that another component may exist in between.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, and includes one or more other features or numbers, It should be understood that the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description with reference to the accompanying drawings, the same components are assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted.

도 1은 일 실시예에 따른 감정 인식 시스템을 나타낸다.1 illustrates an emotion recognition system according to an embodiment.

감정 인식 시스템(10)은 사람의 뇌파(electroencephalogram(EEG))에 기초하여 감정을 인식할 수 있다. 감정 인식 시스템(10)은 개인간 뇌파의 차이에 의한 영향을 줄이기 위해 뇌파 채널들의 상관 관계를 고려하여 높은 인식률로 감정을 인식할 수 있다.The emotion recognition system 10 may recognize an emotion based on a person's electroencephalogram (EEG). The emotion recognition system 10 may recognize an emotion with a high recognition rate in consideration of the correlation between the EEG channels in order to reduce the influence of the EEG difference between individuals.

감정 인식 시스템(10)은 감정 인식 장치(100) 및 뇌파 측정기(200)를 포함할 수 있다. 감정 인식 장치(100)는 뇌파 측정기(200)를 통해 측정된 뇌파에 기초하여 측정 대상의 감정을 인식할 수 있다.The emotion recognition system 10 may include an emotion recognition apparatus 100 and an EEG meter 200 . The emotion recognition apparatus 100 may recognize the emotion of the measurement target based on the EEG measured by the EEG meter 200 .

감정 인식 장치(100)는 프로세서(130) 및 메모리(150)를 포함할 수 있다. 메모리(150)는 프로세서(130)에 의해 실행가능한 인스트럭션들(또는 프로그램)을 저장할 수 있다. 예를 들어, 인스트럭션들은 프로세서의 동작 및/또는 프로세서의 각 구성의 동작을 실행하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수 있다.The emotion recognition apparatus 100 may include a processor 130 and a memory 150 . The memory 150 may store instructions (or programs) executable by the processor 130 . For example, the instructions may include instructions for executing an operation of a processor and/or an operation of each component of the processor.

메모리(150)는 휘발성 메모리 장치 또는 불휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다. 휘발성 메모리 장치는 DRAM(dynamic random access memory), SRAM(static random access memory), T-RAM(thyristor RAM), Z-RAM(zero capacitor RAM), 또는 TTRAM(Twin Transistor RAM)으로 구현될 수 있고, 불휘발성 메모리 장치는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(flash memory), MRAM(Magnetic RAM), CBRAM(Conductive Bridging RAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), PRAM(Phase change RAM), RRAM(Resistive RAM)으로 구현될 수 있다.The memory 150 may be implemented as a volatile memory device or a nonvolatile memory device. The volatile memory device may be implemented as dynamic random access memory (DRAM), static random access memory (SRAM), thyristor RAM (T-RAM), zero capacitor RAM (Z-RAM), or twin transistor RAM (TTRAM), Nonvolatile memory devices include EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), flash memory, MRAM (Magnetic RAM), CBRAM (Conductive Bridging RAM), FeRAM (Ferroelectric RAM), PRAM (Phase change RAM), and RRAM. (Resistive RAM) can be implemented.

프로세서(130)는 메모리(150)에 저장된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(130)는 메모리(150)에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서(130)에 의해 유발된 인스트럭션(instruction)들을 실행할 수 있다.The processor 130 may process data stored in the memory 150 . The processor 130 may execute computer readable code (eg, software) stored in the memory 150 and instructions induced by the processor 130 .

프로세서(130)는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다.The processor 130 may be a hardware-implemented data processing device having a circuit having a physical structure for executing desired operations. For example, desired operations may include code or instructions included in a program.

프로세서(130)는 중앙 처리 장치(central processing unit), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit), 신경망 처리 장치(neural processing unit), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.The processor 130 includes a central processing unit, a graphics processing unit, a neural processing unit, a multi-core processor, a multiprocessor, and an ASIC. (Application-Specific Integrated Circuit), may include a Field Programmable Gate Array (FPGA).

감정 인식 장치(100)의 동작들은 프로세서(130)에 의해 수행되는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that operations of the emotion recognition apparatus 100 are performed by the processor 130 .

뇌파 측정기(200)는 사람의 뇌파 신호를 검출할 수 있다. 뇌파 측정기(200)는 다채널의 뇌파 신호를 측정할 수 있다. 예를 들어, 뇌파 측정기(200)는 32채널의 뇌파 신호를 128Hz의 샘플링 레이트(sampling rate)로 측정할 수 있다. 뇌파 측정기(200)에 의해 측정된 채널들은 Fp1, AF3, F3, O2 등일 수 있다.The EEG measuring device 200 may detect a human EEG signal. The EEG measuring device 200 may measure multi-channel EEG signals. For example, the EEG measuring device 200 may measure an EEG signal of 32 channels at a sampling rate of 128 Hz. Channels measured by the EEG meter 200 may be Fp1, AF3, F3, O2, or the like.

프로세서(130)는 다채널 뇌파 신호에 기초하여 뇌파 신호의 채널들 사이의 상관 관계 특징을 추출할 수 있다. 프로세서(130)는 채널들 사이의 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 계산하여 상관 관계 특징을 추출할 수 있다.The processor 130 may extract a correlation feature between channels of the EEG signal based on the multi-channel EEG signal. The processor 130 may extract a correlation feature by calculating a Pearson correlation coefficient between channels.

프로세서(130)는 상관 관계 특징에 기초하여 뇌파 신호에 대응하는 감정을 분류할 수 있다. 프로세서(130)는 상관 관계 특징을 뉴럴 네트워크에 입력하여 감정 분류 결과를 획득할 수 있다. 뉴럴 네트워크는 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)일 수 있다.The processor 130 may classify the emotion corresponding to the EEG signal based on the correlation feature. The processor 130 may obtain the emotion classification result by inputting the correlation feature into the neural network. A neural network may be a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers.

도 2은 도 1에 도시된 감정 인식 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram for explaining an operation of the emotion recognition apparatus shown in FIG. 1 .

프로세서(130)는 C개의 채널을 가지는 뇌파 신호(Raw EEG; E)를 획득할 수 있다. 뇌파 신호(E)는 일정 시간 간격으로 분할될 수 있다. 뇌파 신호(E)는 N개의 제1 세그먼트로 분할될 수 있고, N개의 제1 세그먼트들은 각각 K개의 제2 세그먼트들로 분할될 수 있다. 최종적으로 분할된 K×N개의 세그먼트들은 각각 L개의 데이터를 포함할 수 있다(C, N, K 및 L은 자연수이다). 이하, c번째 채널에서 n번째 제1 세그먼트에 포함되는 k번째 제2 세그먼트를 (k,n) 번째 세그먼트(

Figure 112020138792152-pat00001
)라고 지칭한다(c는 C 이하 자연수이고, n은 N이하 자연수이고, k는 K이하 자연수이다).The processor 130 may acquire an EEG signal (Raw EEG; E) having C channels. The EEG signal E may be divided at regular time intervals. The EEG signal E may be divided into N first segments, and each of the N first segments may be divided into K second segments. The finally divided K×N segments may each include L data (C, N, K, and L are natural numbers). Hereinafter, the k-th second segment included in the n-th first segment in the c-th channel is referred to as the (k,n)-th segment (
Figure 112020138792152-pat00001
) (c is a natural number less than or equal to C, n is a natural number less than or equal to N, and k is a natural number less than or equal to K).

프로세서(130)는 (k,n)번째 세그먼트(

Figure 112020138792152-pat00002
)에 포함된 L개의 데이터의 평균 값을 계산하여 싱글 채널 특징(single-channel features;
Figure 112020138792152-pat00003
)를 획득할 수 있다. 프로세서(130)는 싱글 채널 특징(
Figure 112020138792152-pat00004
)을 계산함으로써 뇌파 신호의 노이즈를 제거하고 전체 데이터 크기를 줄일 수 있다. 싱글 채널 특징(
Figure 112020138792152-pat00005
)은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.The processor 130 is the (k, n) th segment (
Figure 112020138792152-pat00002
) by calculating the average value of L data included in single-channel features;
Figure 112020138792152-pat00003
) can be obtained. The processor 130 has a single channel feature (
Figure 112020138792152-pat00004
), the noise of the EEG signal can be removed and the overall data size can be reduced. single channel feature (
Figure 112020138792152-pat00005
) can be expressed as in Equation 1.

Figure 112020138792152-pat00006
Figure 112020138792152-pat00006

프로세서(130)는 싱글 채널 특징(

Figure 112020138792152-pat00007
)의 채널 사이의 피어슨 상관 계수를 계산하여 채널 사이의 상관 관계 특징(Channel-wise feature;
Figure 112020138792152-pat00008
)를 계산할 수 있다. 상관 관계 특징(
Figure 112020138792152-pat00009
)은 수학식 2에 기초하여 계산될 수 있다.The processor 130 has a single channel feature (
Figure 112020138792152-pat00007
) by calculating the Pearson correlation coefficient between channels of a correlation feature between channels (Channel-wise feature;
Figure 112020138792152-pat00008
) can be calculated. Correlation features (
Figure 112020138792152-pat00009
) can be calculated based on Equation (2).

Figure 112020138792152-pat00010
Figure 112020138792152-pat00010

수학식 2에서

Figure 112020138792152-pat00011
는 i번째 제1 세그먼트에 대한 상관 관계 특징의 (x,y) 성분을 의미하고,
Figure 112020138792152-pat00012
Figure 112020138792152-pat00013
는 각각 i번째 제1 세그먼트에 대해 계산된 싱글 채널 특징의 x번째 채널 및 y번째 채널 데이터를 의미한다. 각각의 상관 관계 특징(
Figure 112020138792152-pat00014
)은 C×C 크기의 행렬로 표현될 수 있다.in Equation 2
Figure 112020138792152-pat00011
denotes the (x,y) component of the correlation feature for the i-th first segment,
Figure 112020138792152-pat00012
and
Figure 112020138792152-pat00013
denotes x-th channel and y-th channel data of the single channel feature calculated for the i-th first segment, respectively. Each correlation feature (
Figure 112020138792152-pat00014
) can be expressed as a matrix of size C×C.

프로세서(130)는 상관 관계 특징(

Figure 112020138792152-pat00015
)을 뉴럴 네트워크(300)에 입력하여 뇌파 신호에 대응하는 감정을 분류할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 뇌파 신호에 대응하는 감정을 긍정(positive), 중립(neutral) 및 부정(negative) 중 하나로 분류하거나, HVHA(High Valence-High Arousa), HVLA(High Valence-Low Arousa), LVHA(Low Valence-High Arousa) 및 LVLA(Low Valence-Low Arousa) 중 하나로 분류할 수 있다.The processor 130 determines the correlation feature (
Figure 112020138792152-pat00015
) can be input to the neural network 300 to classify emotions corresponding to EEG signals. For example, the processor 130 classifies the emotion corresponding to the EEG signal into one of positive, neutral, and negative, or High Valence-High Arousa (HVHA), High Valence-Low (HVLA). Arousa), LVHA (Low Valence-High Arousa), and LVLA (Low Valence-Low Arousa) can be classified into one.

프로세서(130)는 뇌파 신호의 시간적 특징을 고려할 수 있도록 연속적인 복수 개의 상관 관계 특징(

Figure 112020138792152-pat00016
)을 이용할 수 있다. 프로세서(130)는 상관 관계 특징(
Figure 112020138792152-pat00017
) 순차적으로 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(Long Short-Term Memory; 300)에 입력할 수 있다. 이때, 프로세서(130)는 상관 관계 특징(
Figure 112020138792152-pat00018
)을
Figure 112020138792152-pat00019
크기로 플래튼(flatten)하여 LSTM(300)에 입력할 수 있다. 플래튼(flatten) 동작은 상관 관계 특징(
Figure 112020138792152-pat00020
)에 대각선으로 중복되는 상부 삼각형 성분을 제거하여 재배열하는 동작일 수 있다.The processor 130 has a plurality of successive correlation features (
Figure 112020138792152-pat00016
) can be used. The processor 130 determines the correlation feature (
Figure 112020138792152-pat00017
) can be input to a Long Short-Term Memory (LSTM) 300 sequentially stacked in two layers. At this time, the processor 130 is a correlation feature (
Figure 112020138792152-pat00018
)second
Figure 112020138792152-pat00019
It can be input to the LSTM 300 by flattening it to a size. The flatten behavior is characterized by the correlation (
Figure 112020138792152-pat00020
) may be an operation of removing and rearranging the upper triangular component that overlaps diagonally.

두 개의 층으로 쌓은 LSTM(Long Short-Term Memory; 300)은 제1 LSTM(310), 제2 LSTM(330) 및 MLP(multi-layer perceptron;350)을 포함할 수 있다. 제1 LSTM(310)에 플래튼 상관 관계 특징(

Figure 112020138792152-pat00021
)이 입력될 수 있고, 제1 LSTM(310)의 은닉층이 제2 LSTM(330)에 입력될 수 있다. 이때, 은닉층 벡터의 차원은 예를 들어, 256일 수 있다. MLP(350)는 제2 LSTM(330)의 출력에 기초하여 감정 분류 결과를 출력할 수 있다. LSTM(300)의 파라미터는 학습을 통해 결정될 수 있으며, 예를 들어, SEED(SJTU Emotion EEG Dataset) 또는 DEAP(Database for Emotion Analysis using Physiological Signals)을 이용하여 학습될 수 있다.The two-layered Long Short-Term Memory (LSTM) 300 may include a first LSTM 310 , a second LSTM 330 , and a multi-layer perceptron (MLP) 350 . The first LSTM 310 has a platen correlation feature (
Figure 112020138792152-pat00021
) may be input, and the hidden layer of the first LSTM 310 may be input to the second LSTM 330 . In this case, the dimension of the hidden layer vector may be, for example, 256. The MLP 350 may output the emotion classification result based on the output of the second LSTM 330 . The parameters of the LSTM 300 may be determined through learning, for example, may be learned using SJTU Emotion EEG Dataset (SEED) or Database for Emotion Analysis using Physiological Signals (DEAP).

도 2는 시각화된 상관 관계 특징을 나타낸다.2 shows the visualized correlation features.

SEED(SJTU Emotion EEG Dataset)와 DEAP(Database for Emotion Analysis using Physiological Signals)에 기초하여 추출된 상관 관계 특징을 살펴보면, 뇌파 감성 데이터 셋에서 같은 사람이 다양한 감정을 느껴도 상관관계 특징은 비슷하게 나타나고 많은 사람들이 같은 감정을 느낀다고 해도 다른 특징이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Looking at the correlation features extracted based on SEED (SJTU Emotion EEG Dataset) and DEAP (Database for Emotion Analysis using Physiological Signals), even if the same person feels various emotions in the EEG emotional data set, the correlation features appear similar and many people Even if you feel these emotions, you can confirm that other characteristics appear.

프로세서(130)는 LSTM(300)를 이용하여 상관 관계 특징(

Figure 112020138792152-pat00022
) 중 개인의 특징을 필터링하여 감정 특징을 추출할 수 있다. 상관 관계 특징(
Figure 112020138792152-pat00023
) 중 개인의 특징을 필터링 함으로써 프로세서(130)는 높은 인식률로 감정을 분류할 수 있다.The processor 130 uses the LSTM 300 to generate a correlation feature (
Figure 112020138792152-pat00022
), the emotional characteristics can be extracted by filtering the characteristics of the intermediary. Correlation features (
Figure 112020138792152-pat00023
) by filtering the intermediary's characteristics, the processor 130 can classify the emotion with a high recognition rate.

도 4는 일 실시예에 따른 감정 인식 방법을 나타내는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating an emotion recognition method according to an exemplary embodiment.

감정 인식 방법(400)은 다채널 뇌파 신호를 획득하는 동작(410)을 포함할 수 있다. 뇌파 신호는 32채널을 가지며, 128Hz의 샘플링 레이트로 측정될 수 있다.The emotion recognition method 400 may include an operation 410 of acquiring a multi-channel EEG signal. The EEG signal has 32 channels and can be measured at a sampling rate of 128 Hz.

감정 인식 방법(400)은 뇌파 신호의 채널 별 상관 관계 특징을 추출하는 동작(420)을 포함할 수 있다. 상관 관계 특징은 일정 시간 간격으로 계산된 뇌파 신호의 평균 값에 기초하여 추출될 수 있다. 뇌파 신호는 일정 시간 간격으로 분할될 수 있고, 분할된 세그먼트 내 데이터들의 평균 값이 계산되어, 싱글 채널 특성이 획득될 수 있으며, 상관 관계 특징은 싱글 채널 특성에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 상관 관계 특징의 두 채널 사이 데이터의 피어스 상관 계수에 기초하여 계산될 수 있다.The emotion recognition method 400 may include an operation 420 of extracting correlation features for each channel of the EEG signal. The correlation feature may be extracted based on an average value of EEG signals calculated at regular time intervals. The EEG signal may be divided at regular time intervals, an average value of data in the segmented segment may be calculated to obtain a single channel characteristic, and a correlation characteristic may be calculated based on the single channel characteristic. For example, the correlation feature may be calculated based on a Pierce correlation coefficient of data between two channels.

감정 인식 방법(400)은 상관 관계 특징에 기초하여 뇌파 신호에 대응하는 감정을 검출하는 동작(430)을 포함할 수 있다. 감정은 상관 관계 특징에서 개인별 특징을 필터링하여 분류될 수 있다. 상관 관계 특징은 뉴럴 네트워크에 입력될 수 있고, 뉴럴 네트워크에서 뇌파 신호에 대응하는 감정 분류 결과가 출력될 수 있다. 뉴럴 네트워크는 두 개의 층으로 쌓은 LSTM일 수 있다.The emotion recognition method 400 may include an operation 430 of detecting an emotion corresponding to the EEG signal based on the correlation feature. Emotions may be classified by filtering individual characteristics from correlation characteristics. The correlation feature may be input to the neural network, and an emotion classification result corresponding to the EEG signal may be output from the neural network. A neural network may be an LSTM stacked in two layers.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 감정 인식 장치(100)의 동작들은 도 4에 도시된 동작들에 그대로 적용되므로 보다 상세한 설명은 생략하도록 한다Since the operations of the emotion recognition apparatus 100 described with reference to FIGS. 1 to 3 are applied to the operations shown in FIG. 4 as they are, a more detailed description will be omitted.

도 5는 일 실시예에 따른 감정 인식을 위한 뉴럴 네트워크의 학습 방법을 나타내는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of learning a neural network for emotion recognition according to an embodiment.

학습 방법(500)은 다채널 뇌파 신호를 획득하는 동작(510)을 포함할 수 있다. 다채널 뇌파 신호는 뇌파 신호와 뇌파 신호에 대응하는 감정 분류가 라벨링된 데이터 셋으로부터 획득될 수 있다. 예를 들어, 뇌파 신호는 SEED(SJTU Emotion EEG Dataset) 또는 DEAP(Database for Emotion Analysis using Physiological Signals)으로 부터 획득될 수 있다.The learning method 500 may include an operation 510 of acquiring a multi-channel EEG signal. The multi-channel EEG signal may be obtained from an EEG signal and a data set in which an emotion classification corresponding to the EEG signal is labeled. For example, the EEG signal may be obtained from SJTU Emotion EEG Dataset (SEED) or Database for Emotion Analysis using Physiological Signals (DEAP).

학습 방법(500)은 뇌파 신호의 채널 별 상관 관계 특징을 추출하는 동작(520)을 포함할 수 있다. 동작 520은 도 4에 도시된 감정 인식 방법(400)의 동작 420과 동일할 수 있으므로, 중복되는 설명을 생략하도록 한다.The learning method 500 may include an operation 520 of extracting correlation features for each channel of the EEG signal. Since operation 520 may be the same as operation 420 of the emotion recognition method 400 shown in FIG. 4 , a redundant description will be omitted.

학습 방법(500)은 상관 관계 특징에 기초하여 뉴럴 네트워크의 파라미터를 업데이트하는 동작(530)을 포함할 수 있다. 뉴럴 네트워크는 두 개의 층으로 쌓은 LSTM일 수 있으며, 뉴럴 네트워크의 출력 및 뇌파 신호에 라벨링된 감정 분류(ground truth)에 기초하여 뉴럴 네트워크의 파라미터가 업데이트될 수 있다.The learning method 500 may include an operation 530 of updating a parameter of the neural network based on the correlation feature. The neural network may be an LSTM stacked in two layers, and parameters of the neural network may be updated based on the output of the neural network and the ground truth labeled in the EEG signal.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The embodiments described above may be implemented by a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the apparatus, methods and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate (FPGA). array), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, may be implemented using a general purpose computer or special purpose computer. The processing device may execute an operating system (OS) and a software application running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. , or may be permanently or temporarily embody in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in a computer-readable recording medium.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination, and the program instructions recorded on the medium are specially designed and configured for the embodiment, or are known and available to those skilled in the art of computer software. may be Examples of the computer readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The hardware devices described above may be configured to operate as one or a plurality of software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, a person skilled in the art may apply various technical modifications and variations based thereon. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (17)

하나 이상의 프로세서를 통해 수행되는 감정 인식 방법에 있어서,
다채널의 뇌파 신호를 획득하는 단계;
상기 뇌파 신호의 채널들 사이의 상관 관계 특징을 추출하는 단계; 및
상기 상관 관계 특징을 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)에 입력하여 상기 뇌파 신호에 대응하는 감정을 분류하는 단계
를 포함하고,
상기 추출하는 단계는,
상기 뇌파 신호를 일정 시간 간격의 세그먼트로 분할하는 단계;
분할된 세그먼트에 포함된 데이터들의 평균 값을 계산하여 싱글 채널 특징(single-channel feature)을 획득하는 단계; 및
상기 싱글 채널 특징의 두 채널 데이터에 대한 공분산 및 표준 편차에 기초하여 상기 상관 관계 특징의 각 성분인 두 채널 사이 상기 뇌파 신호의 평균 값의 피어스 상관 계수(Pearson correlation coefficient)를 계산하는 단계
를 포함하는, 감정 인식 방법.
In the emotion recognition method performed through one or more processors,
acquiring multi-channel EEG signals;
extracting correlation features between channels of the EEG signal; and
Classifying the emotion corresponding to the EEG signal by inputting the correlation feature into a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers
including,
The extraction step is
dividing the EEG signal into segments of a predetermined time interval;
obtaining a single-channel feature by calculating an average value of data included in the segmented segment; and
Calculating a Pearson correlation coefficient of the average value of the EEG signal between the two channels, each component of the correlation feature, based on the covariance and standard deviation of the two channel data of the single channel feature
Including, emotion recognition method.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 분류하는 단계는,
상기 상관 관계 특징에서 개인별 특징을 필터링하여 상기 감정을 분류하는 단계
를 포함하는, 감정 인식 방법.
According to claim 1,
The classification step is
Classifying the emotion by filtering individual features from the correlation features
Including, emotion recognition method.
프로세서를 통해 수행되는 감정 인식을 위한 뉴럴 네트워크의 학습 방법에 있어서,
다채널의 뇌파 신호를 획득하는 단계;
상기 뇌파 신호의 채널들 사이의 상관 관계 특징을 추출하는 단계; 및
상기 상관 관계 특징에 기초하여 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)의 파라미터를 업데이트하는 단계
를 포함하고,
상기 추출하는 단계는,
상기 뇌파 신호를 일정 시간 간격의 세그먼트로 분할하는 단계;
분할된 세그먼트에 포함된 데이터들의 평균 값을 계산하여 싱글 채널 특징(single-channel feature)을 획득하는 단계; 및
상기 싱글 채널 특징의 두 채널 데이터에 대한 공분산 및 표준 편차에 기초하여 상기 상관 관계 특징의 각 성분인 두 채널 사이 상기 뇌파 신호의 평균 값의 피어스 상관 계수(Pearson correlation coefficient)를 계산하는 단계
를 포함하는, 학습 방법.
In the learning method of a neural network for emotion recognition performed through a processor,
acquiring multi-channel EEG signals;
extracting correlation features between channels of the EEG signal; and
updating a parameter of a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers based on the correlation characteristic
including,
The extraction step is
dividing the EEG signal into segments of a predetermined time interval;
obtaining a single-channel feature by calculating an average value of data included in the segmented segment; and
Calculating a Pearson correlation coefficient of the average value of the EEG signal between the two channels, each component of the correlation feature, based on the covariance and standard deviation of the two channel data of the single channel feature
A learning method comprising:
삭제delete 삭제delete 삭제delete 하드웨어와 결합되어 제1항, 제6항 및 제7항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
A computer program stored in a computer-readable recording medium in combination with hardware to execute the method of any one of claims 1, 6 and 7.
인스트럭션들을 포함하는 메모리; 및
상기 인스트럭션들을 실행하기 위한 프로세서
를 포함하고,
상기 프로세서에 의해 상기 인스트럭션들이 실행될 때, 상기 프로세서는,
다채널의 뇌파 신호를 획득하고,
상기 뇌파 신호를 일정 시간 간격의 세그먼트로 분할하고,
분할된 세그먼트에 포함된 데이터들의 평균 값을 계산하여 싱글 채널 특징(single-channel feature)을 획득하고,
상기 싱글 채널 특징의 두 채널 데이터에 대한 공분산 및 표준 편차에 기초하여 두 채널 사이 상기 뇌파 신호의 평균 값의 피어스 상관 계수(Pearson correlation coefficient)인 상관 관계 특징을 추출하고,
상기 상관 관계 특징을 두 개의 층으로 쌓은 LSTM(long short-term memory)에 입력하여 상기 뇌파 신호에 대응하는 감정을 분류하는, 감정 인식 장치.
a memory containing instructions; and
a processor for executing the instructions
including,
When the instructions are executed by the processor, the processor
Acquire multi-channel EEG signals,
segmenting the EEG signal into segments at regular time intervals;
Obtain a single-channel feature by calculating the average value of the data included in the segmented segment,
Extracting a correlation feature that is a Pearson correlation coefficient of the average value of the EEG signal between two channels based on the covariance and standard deviation of the two channel data of the single channel feature,
An emotion recognition apparatus for classifying an emotion corresponding to the EEG signal by inputting the correlation feature into a long short-term memory (LSTM) stacked in two layers.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제12항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 상관 관계 특징에서 개인별 특징을 필터링하여 상기 감정을 분류하는, 감정 인식 장치.
13. The method of claim 12,
The processor is
An emotion recognition device for classifying the emotion by filtering individual features from the correlation feature.
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