TW202306550A - 犬隻腦波情緒識別系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種犬隻腦波情緒識別系統，包括有：腦波擷取裝置、運算控制裝置及互動裝置，本系統可根據犬隻腦波分類犬隻多種情緒。過程中以該腦波擷取裝置擷取犬隻腦波訊號並做前端處理後，以傳輸單元傳輸至該運算控制裝置上，該運算控制裝置接收資料後進行訊號處理，再透過自行開發的人工智慧模型對此腦波訊號進行分析，並依照情緒進行分類，分析結果將藉由情緒顯示單元及互動裝置中的應用程式同步輸出，可讓犬隻周圍的人透過情緒顯示單元獲得即時訊息，也可操作應用程式與犬隻進行互動。

Description

犬隻腦波情緒識別系統

本發明係關於一種情緒識別系統，特別是指一種可根據犬隻腦波辨識多種情緒的犬隻腦波情緒識別系統。

隨人口結構的改變，當今社會逐漸走向超單身以及超高齡社會，且國人薪資漲幅低，許多青壯年比起組織家庭，更傾向於飼養寵物作為生活上的陪伴依靠，且老年人也可能因為子女工作繁忙而沒有辦法時刻與家人相處，選擇寵物作為晚年的陪伴，使得寵物的社會地位不同以往。根據行政院農委會2017年統計，台灣眾多寵物之中又以犬隻最多人飼養，飼主通常視犬隻為家人，且時常好奇牠們心中的想法，因而有了寵物溝通師這一職業，但寵物溝通師所言大多缺少科學驗證，具有爭議且難以令人信服，故本發明以犬隻的腦波來分析其情緒，欲使使用者可以更加準確地了解犬隻的心理。

目前公認的犬隻情緒評估方式以世界動物保護協會所提供的寵物訓練師訓練手冊為依據，此手冊提供犬隻的表徵情緒，依照犬隻的眼睛、耳朵、尾巴、腿部等肉眼可見的外部表徵所呈現的外觀，判斷犬隻當前情緒。然而此評判標準所描述的表徵並非完全精確，加上可能因犬隻之間的個體差異，使其表現不完全符合評判標準，而導致錯誤的判斷。本發明設計一個客觀且精準，簡單易懂又易操作的犬隻情緒識別系統，提供飼主了解該犬隻當前的情緒狀態，且增加飼主與犬隻互動的功能，增添樂趣，拉近飼主與犬隻的親密關係。

本發明之目的，在提供一種犬隻腦波情緒識別系統，藉由知悉流浪犬隻的及時情緒，讓想收養者知道現在犬隻的情緒(興奮或害怕)，使收養者有利收養犬隻。

本發明之目的，在提供一種犬隻腦波情緒識別系統，藉由犬隻情緒由設備傳送到手機或電腦，使飼主隨時知道犬隻目前情緒。

本發明之目的，在提供一種犬隻腦波情緒識別系統，藉由情緒顯示單元可讓寵物店美容師了解犬隻情緒，方便管理。

本發明之目的，在提供一種犬隻腦波情緒識別系統，藉由腦波偵測即時以情緒顯示單元提出警告，減少被周遭鄰居飼養的犬隻攻擊。

本發明之目的，在提供一種犬隻腦波情緒識別系統，藉由了解陪伴型犬隻情緒，提升犬隻的陪伴效果。

為了達到上述之目的，本發明提供一種犬隻腦波情緒識別系統，包括有：一承載架體、一掛扣體、一電源供應單元、一腦波擷取裝置、一傳輸單元、一運算控制裝置及一互動裝置。該承載架體二端分別具有一槽孔，該承載架體一側面為一弧形板面， 另一側面具有一容置空間，該弧形板面貼靠該頭部。該掛扣體二端分別與該槽孔相連接，該掛扣體具有一調整部，該調整部可調整該掛扣體的長度，使該承載架體固定於該頭部。該電源供應單元位於該容置空間中，該電源供應單元可提供一電力。

該腦波擷取裝置與該電源供應單元電訊連接，該腦波擷取裝置可擷取該犬隻的腦波原始訊號，且將該犬隻的腦波原始訊號轉換成一優化腦波訊號。該傳輸單元與該腦波擷取裝置電訊連接，可傳遞該優化腦波訊號。

該運算控制裝置與該傳輸單元電訊連接，該運算控制裝置更包括有：一傳輸/接收單元、一訊號分析處理單元以及一情緒顯示單元。該傳輸/接收單元接收由傳輸單元傳遞之該優化腦波訊號後，再傳送至訊號分析處理單元。該訊號分析處理單元與該傳輸/接收單元電訊連接，該訊號分析處理單元將該優化腦波訊號轉換為一二維影像，且以時間為橫軸，振幅為縱軸，再由情緒判斷模型進行情緒分析，以獲得一犬隻情緒狀態資料。該情緒顯示單元與該訊號分析處理單元電訊連接，該情緒顯示單元顯示該犬隻情緒狀態資料。

於本發明之一較佳實施例中，該腦波擷取裝置更包括有一腦波電極及至少一參考電極，該腦波電極位於該弧形板面上，該腦波電極貼靠該頭部，以擷取該犬隻的腦波原始訊號，該參考電極連接該頭部的一耳上，將該腦波擷取裝置進行電訊參考接地。其中，該犬隻的腦波原始訊號為犬隻腦部神經細胞放電所產生的微弱電位變化。

於本發明之一較佳實施例中，該腦波擷取裝置更包括有一腦波訊號前端處理模組，該腦波訊號前端處理模組將該犬隻腦波原始訊號轉換成該優化腦波訊號。其中，該腦波訊號前端處理模組更包括有：一儀表放大單元、一隔離放大單元、一帶通濾波單元以及一增益放大單元。該儀表放大單元接收該犬隻的腦波原始訊號，且降低共模雜訊。該隔離放大單元與該儀表放大單元電訊連接，該隔離放大單元將降低共模雜訊的該犬隻的腦波原始訊號隔離輸入電流及輸出電流。該帶通濾波單元與該隔離放大單元電訊連接，該帶通濾波單元將隔離輸入電流及輸出電流的該犬隻的腦波原始訊號去除一預定頻寬外的雜訊訊號。該增益放大單元與該帶通濾波單元電訊連接，該增益放大單元將去除該預定頻寬外的雜訊訊號的該犬隻的腦波原始訊號放大為該優化腦波訊號。其中，該預定頻寬為0.1至100赫茲（Hz），該增益放大單元為放大1000倍訊號。

於本發明之一較佳實施例中，該犬隻腦波情緒識別系統更包括有一互動裝置，該互動裝置與該運算控制裝置電訊連接，可同步顯示該犬隻情緒狀態資料。其中，該互動裝置更包括有：一接收單元以及一應用程式。該接收單元接收該犬隻情緒狀態資料。該應用程式與該接收單元電訊連接，接收該犬隻情緒狀態資料顯示相對應該犬隻情緒狀態資料之一輸出表示。

於本發明之一較佳實施例中，該訊號分析處理單元為一樹莓派（Raspberry Pi）單晶片電腦，且運用機器學習形成一情緒判斷模型。其中，該機器學習為一卷積神經網路(CNN)，更包括有至少一卷積層及至少一全連接層，將轉換二維影像並標準化後的多個不同情緒狀態下的該犬隻的腦波原始訊號，輸入該卷積神經網路，建立該情緒判斷模型，對此二維影像進行訓練，並經多次運算後，形成特徵立方塊，再由特徵立方塊轉換為一維特徵值，輸入至該全連接層，產生一輸出數值，以獲得該犬隻情緒狀態資料。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

首先請參閱第1圖至第6圖，其為本發明犬隻腦波情緒識別系統較佳實施例的立體結構、立體結構分解、使用狀態、方塊結構示意圖及卷積神經網路較佳實施例的架構示意圖。本發明提供一種犬隻腦波情緒識別系統1，位於犬隻的一頭部上，該犬隻腦波情緒識別系統1包括有：一承載架體11、一掛扣體12、一電源供應單元13、一腦波擷取裝置14、一傳輸單元15、一運算控制裝置16及一互動裝置18。該承載架體11二端分別具有一槽孔111，該承載架體11一側面為一弧形板面112， 另一側面具有一容置空間113，該弧形板面112貼靠該頭部21。

請參閱圖1及圖2，該掛扣體12二端分別與該槽孔111相連接，該掛扣體12具有一調整部121，該調整部121可調整該掛扣體12的長度，使該承載架體11固定於該頭部21。該電源供應單元13位於該容置空間113中，該電源供應單元13可提供一電力。於本發明之較佳實施例中，該電源供應單元13為一充電電池。該承載架體11更包括有一殼蓋114，該殼蓋114位於該承載架體11另一側面上，可封閉該容置空間113，使該電源供應單元13固定於該容置空間113中。

請參閱圖3及圖4，該腦波擷取裝置14與該電源供應單元13電訊連接，該腦波擷取裝置14更包括有一腦波電極141及至少一參考電極142。該腦波電極141位於該弧形板面112上，該腦波電極141貼靠該頭部21，以擷取該犬隻2的腦波原始訊號，為腦部神經細胞放電所造成的微弱電位變化。該參考電極142連接該頭部21的一耳22上，將該腦波擷取裝置14進行電訊參考接地。

再請參閱圖3及圖5，於本發明較佳實施例中，該腦波擷取裝置14更包括有一腦波訊號前端處理模組143，該腦波訊號前端處理模組143將該犬隻腦波原始訊號轉換成一優化腦波訊號。其中，該腦波訊號前端處理模組143更包括有：一儀表放大單元1431、一隔離放大單元1432、一帶通濾波單元1433以及一增益放大單元1434。該儀表放大單元1431接收該犬隻的腦波原始訊號，且降低共模雜訊。該隔離放大單元1432與該儀表放大單元1431電訊連接，該隔離放大單元1432將降低共模雜訊的該犬隻的腦波原始訊號隔離輸入電流及輸出電流。該帶通濾波單元1433與該隔離放大單元1432電訊連接，該帶通濾波單元1433將隔離輸入電流及輸出電流的該犬隻的腦波原始訊號去除一預定頻寬外的雜訊訊號。該增益放大單元1434與該帶通濾波單元1433電訊連接，該增益放大單元1434將去除該預定頻寬外的雜訊訊號的該犬隻的腦波原始訊號放大為該優化腦波訊號。其中，該預定頻寬為0.1至100赫茲（Hz），該增益放大單元為放大1000倍訊號。

該傳輸單元15與該腦波擷取裝置14電訊連接，可傳遞該優化腦波訊號。於本發明之較佳實施例中，該傳輸單元15為一無線傳輸單元，更以短距無線傳輸的藍芽規格為最佳。該傳輸單元15更具有一連線指示燈151，該連線指示燈151位於該承載架體11上，該連線指示燈151顯示時，該傳輸單元15可進行傳遞該優化腦波訊號。

請參閱圖4及圖5，該運算控制裝置16可穿戴於犬隻2身上並與該傳輸單元15電訊連接，該運算控制裝置16更包括有：一傳輸/接收單元161、一訊號分析處理單元162以及一情緒顯示單元163。該傳輸/接收單元161接收該傳輸單元15傳送的優化腦波訊號。該訊號分析處理單元162與該傳輸/接收單元161電訊連接，該訊號分析處理單元162將該優化腦波訊號進行資料處理及情緒分析，以獲得一犬隻情緒狀態資料。

於本發明較佳實施例中，該訊號分析處理單元162為一樹莓派（Raspberry Pi）單晶片電腦，且運用機器學習之一卷積神經網路(CNN)16211形成一情緒判斷模型1621。首先採用自製腦波儀量測犬隻腦波，對照組測量其平靜時之腦波；實驗組給予犬隻各種情緒誘導(例如，餵食、互動、玩具、剪指甲等)以蒐集數據，並以錄影設備紀錄全程實驗的流程，測量完成後請專業人士（如:犬隻行為訓練師、寵物溝通師）判斷，並依據犬隻行為情緒對照表分析影片中犬隻的情緒，若符合預期則採此數據進行模型訓練。收取到腦波訊號後根據該資料施測者在施測當下對犬隻之情緒判斷，及請專業人士（如:犬隻行為訓練師、寵物溝通師）利用影片觀察犬隻行為模式所判斷之情緒相互比較，判斷此資料是否符合所需，若符合則作為後續建構模組之數據。

請參閱圖6，本發明運用機器學習之技術進行腦波訊號分類，舉例而言機器學習中常見的演算法之一卷積神經網路，是一種前饋神經網路，利用卷積神經網路進行影像之辨識、偵測、分割等處理，但本發明在實際實施時，並不限於此，舉凡可以達到分辨腦波訊號確認犬隻之情緒的任一種神經網路即屬於本發明所主張的範圍。而本發明建構所需之犬隻腦波訊號獲取過程如下：將腦波擷取裝置14固定於犬隻頭部21後即可開始收案，收案完成後須確認此筆腦波訊號在腦波的頻寬及振幅範圍內，且波型與一般的腦波圖相符，無明顯的雜訊，因過去研究指出犬隻2的大腦與人類的大腦活動方式相近，故採人類腦波之標準判斷。以下再以標準的卷積神經網路架構為例進行說明，卷積神經網路16211由一個或多個卷積層162111及全連接層162112組成。 卷積神經網路16211腦波情緒偵測方法包括先接收多個不同情緒狀態下的犬隻腦波資訊，將其轉為二維影像並標準化後輸入卷積神經網路，接著建立模型，對此影像進行訓練，並經多次運算後，形成特徵立方塊，再由池化層將特徵立方塊轉換為一維特徵值，輸入一維特徵值至全連接層，經全連接層中的隱藏層與輸出層函數Relu及Softmax運算，即產生全連接卷積神經網路的輸出數值，再取部分資料驗證前面已訓練好的模型，調整訓練所得的特徵值使準確度提高、資料遺失量降低，最後把剩下的資料作為最終模型的準確度驗證，驗證結果符合預期即完成訓練與驗證。

該情緒顯示單元163與該訊號分析處理單元162電訊連接，該情緒顯示單元163(如蜂鳴器、LED燈、螢幕等)顯示該犬隻情緒狀態資料。

請參閱圖4及圖5，於本發明較佳實施例中，該犬隻腦波情緒識別系統1更包括有一互動裝置18，該互動裝置18與該運算控制裝置16電訊連接，可同步顯示該犬隻情緒狀態資料。其中，該互動裝置18更包括有：一接收單元181以及一應用程式182。該接收單元181接收該犬隻情緒狀態資料。該應用程式182與該接收單元181電訊連接，接收該犬隻情緒狀態資料顯示相對應該犬隻情緒狀態資料之一輸出表示。

該互動裝置18可與複數個顯示端及複數個音訊輸出端連結，於該運算控制裝置16分析出犬隻情緒狀態時，透過應用程式182在該顯示端及音訊輸出端上輸出與之相對應之文字、音訊或圖形等，與使用者進行互動。若分析出攻擊情緒，則在該顯示端及音訊輸出端上顯示警示符號且同時發出警示聲音，以便使用者能立即解決情況並減少傷害發生，同時也可與周邊儀器連線多工使用。透過此發明的使用，可讓使用者更加了解犬隻情緒變化，拉近飼主與犬隻的親密關係。

該應用程式182儲存有複數個影像、音訊等資料，當應用程式182接收到運算控制裝置16分析出犬隻情緒狀態資料時，將搜尋資料庫中相對應的影像、音訊等資料，透過該互動裝置18輸出。當該接收單元181若接收到輸入，將比對該應用程式182中之相應資料，再傳輸訊號至該情緒顯示單元163，使該情緒顯示單元163做出相對應的輸出。

透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述僅為本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。

1:犬隻腦波情緒識別系統 11:承載架體 111:槽孔 12:掛扣體 13:電源供應單元 14:腦波擷取裝置 141:腦波電極 142:參考電極 143:腦波訊號前端處理模組 1431:儀表放大單元 1432:隔離放大單元 1433:帶通濾波單元 1434:增益放大單元 15:傳輸單元 151:連線指示燈 16:運算控制裝置 161:傳輸/接收單元 162:訊號分析處理單元 1621:情緒判斷模型 16211:卷積神經網路 162111:卷積層 162112:全連接層 163:情緒顯示單元 18:互動裝置 181:接收單元 182:應用程式 2:犬隻 21:頭部 22:耳

圖1為本發明犬隻腦波情緒識別系統較佳實施例的立體結構示意圖。 圖2為本發明犬隻腦波情緒識別系統較佳實施例的另一視角立體結構示意圖。 圖3為本發明犬隻腦波情緒識別系統較佳實施例的立體結構分解示意圖。 圖4為本發明犬隻腦波情緒識別系統較佳實施例的使用狀態示意圖。 圖5為本發明犬隻腦波情緒識別系統較佳實施例的方塊結構示意圖。 圖6為本發明卷積神經網路較佳實施例的架構示意圖。

1:犬隻腦波情緒識別系統

11:承載架體

12:掛扣體

13:電源供應單元

14:腦波擷取裝置

141:腦波電極

142:參考電極

143:腦波訊號前端處理模組

1431:儀表放大單元

1432:隔離放大單元

1433:帶通濾波單元

1434:增益放大單元

15:傳輸單元

151:連線指示燈

16:運算控制裝置

161:傳輸/接收單元

162:訊號分析處理單元

1621:情緒判斷模型

16211:卷積神經網路

163:情緒顯示單元

18:互動裝置

181:接收單元

182:應用程式

Claims (9)

1. 一種犬隻腦波情緒識別系統，位於犬隻的一頭部上，包括有： 一承載架體，二端分別具有一槽孔，該承載架體一側面為一弧形板面， 另一側面具有一容置空間，該弧形板面貼靠該頭部； 一掛扣體，二端分別與該槽孔相連接，該掛扣體具有一調整部，該調整部可調整該掛扣體的長度，使該承載架體固定於該頭部； 一電源供應單元，位於該容置空間中，該電源供應單元可提供一電力； 一腦波擷取裝置，與該電源供應單元電訊連接，可擷取該犬隻的腦波原始訊號，更包括有一腦波訊號前端處理模組，將該犬隻的腦波原始訊號轉換成該優化腦波訊號，再透過傳輸單元傳至運算控制裝置中的傳輸/接收單元後，傳送至訊號分析處理單元，進而轉換為一二維影像，且以時間為橫軸，振幅為縱軸； 一傳輸單元，與該腦波擷取裝置電訊連接，可傳遞該優化腦波訊號； 一運算控制裝置，與該傳輸單元電訊連接，該運算控制裝置更包括有： 一傳輸/接收單元，接收該優化腦波訊號； 一訊號分析處理單元，與該傳輸/接收單元電訊連接，該訊號分析處理單元將該優化腦波訊號進行資料處理後，再利用機器學習做情緒判斷，以獲得一犬隻情緒狀態資料； 一情緒顯示單元，與該訊號分析處理單元電訊連接，該情緒顯示單元顯示該犬隻情緒狀態資料。
2. 如請求項1所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該腦波擷取裝置更包括有一腦波電極及至少一參考電極，該腦波電極位於該弧形板面上，該腦波電極貼靠該頭部，以擷取該犬隻的腦波原始訊號，該參考電極分別電訊連接該腦波電極與該頭部的一耳上，將該腦波擷取裝置進行電訊接地。
3. 如請求項2所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該犬隻的腦波原始訊號為犬隻腦部神經細胞放電所產生的微弱電位變化。
4. 如請求項1所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該腦波訊號前端處理模組更包括有： 一儀表放大單元，接收該犬隻的腦波原始訊號，且降低共模雜訊； 一隔離放大單元，與該儀表放大單元電訊連接，該隔離放大單元將降低共模雜訊的該犬隻的腦波原始訊號隔離輸入電流及輸出電流； 一帶通濾波單元，與該隔離放大單元電訊連接，該帶通濾波單元將隔離輸入電流及輸出電流的該犬隻的腦波原始訊號去除一預定頻寬外的雜訊訊號； 一增益放大單元，與該帶通濾波單元電訊連接，該增益放大單元將去除該預定頻寬外的雜訊訊號的該犬隻的腦波原始訊號放大為該優化腦波訊號。
5. 如請求項4所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該預定頻寬為0.1至100赫茲（Hz），該增益放大單元為放大1000倍訊號。
6. 如請求項1所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該犬隻腦波情緒識別系統更包括有一互動裝置，該互動裝置與該運算控制裝置電訊連接，可同步顯示該犬隻情緒狀態資料。
7. 如請求項6所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該互動裝置更包括有： 一接收單元，接收該犬隻情緒狀態資料； 一應用程式，與該接收單元電訊連接，接收該犬隻情緒狀態資料顯示相對應該犬隻情緒狀態資料之一輸出表示。
8. 如請求項1所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該訊號分析處理單元為一樹莓派（Raspberry Pi）單晶片電腦，且運用機器學習形成一情緒判斷模型。
9. 如請求項8所述的犬隻腦波情緒識別系統，其中，該機器學習為一卷積神經網路(CNN)，包括有至少一卷積層及至少一全連接層，將轉換二維影像並標準化後的多個不同情緒狀態下的該犬隻的腦波原始訊號，輸入該卷積神經網路，建立該情緒判斷模型，對此二維影像進行訓練，並經多次運算後，形成特徵立方塊，再由特徵立方塊轉換為一維特徵值，輸入至該全連接層，產生一輸出數值，以獲得該犬隻情緒狀態資料。

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