基于體感網的脈搏振動覺恐懼情緒識別研究

摘要：在智能系統、人機交互系統和對人自身的認識中，情緒識別擔負著越來越重要的角色。恐懼情緒是人的一種基本情緒，恐懼情緒識別的方法多種多樣，如人臉情緒識別、語音情緒識別、人體姿態情緒識別和人體生理信號情緒識別等。本文提出了使用體感網感知人的生理參數，采集尺脈位置的心跳脈搏振動覺信息，再通過小波分析獲得情緒識別需要的特征組合，實現恐懼情緒與非恐懼情緒識別的方法。本文通過原型實驗，結合人體皮膚電阻的同步恐懼情緒識別和主觀恐懼體驗的報告，驗證了恐懼體驗識別的可靠性。

關鍵詞：恐懼情緒；情緒識別；體感網；脈搏信息；脈搏振動覺

一、引言

恐懼是指人在面臨不得不面對的現實或想象中的危險而無能為力時所產生的一種情緒體驗。伴隨恐懼而來的生理感覺有心跳過快或過慢、血壓升高、盜汗、顫抖等應激生理反應。

恐懼并不一定是不好的事情，因為能將恐懼的體驗物化在大腦之中，我們的祖先才能“吃一塹、長一智”，面對猛虎長蛇聞風而逃，對有毒的果子敬而遠之。但是若恐懼的強度超過一定范圍，許多心理疾病便會由此而來。當代社會生活中，恐懼情緒已導致各類恐懼癥，如感情恐懼癥、考試恐懼癥、婚姻恐懼癥和寵物恐懼癥等，并嚴重地影響了人們的正常生活。在軍事領域，人們以心理為戰場，有計劃地采用各種手段，運用恐懼情緒對人的認知、情緒和意志施加影響，打擊敵人的心志，剛強己方的心理。心理作戰已成為實現國家利益的一種戰略運用，許多西方國家都把心理作戰納入了國家戰略體系。因此，我們需要更好地認識和克服恐懼情緒。

情緒識別的方法多種多樣，如人臉情緒識別、語音情緒識別、人體姿態情緒識別和人體生理信號情緒識別等。通過中醫脈象也可以識別情緒，因為中醫心理脈象能從植物神經系統所反映的情緒活動脈象上直接感知情緒狀態。然而在實際操作層面上，傳統的心理脈象信息是通過中醫的手直接感知的，具有難以傳承、難以傳播和主觀性強的特點。本研究在吸取中醫精髓的同時，依據生物全息化的概念，利用現代信息技術手段采集脈搏振動覺信息并進行分析處理，實現了通過脈搏的自動情緒識別。

二、生理參數情緒識別的理論基礎

1.皮膚電阻心理學特征

1890年，托肯諾夫（Tarchanoff）研究認為，機體在接收視、聽、痛等感覺刺激及情緒激動時，皮膚兩點之間的電位差增大，電阻降低，這種現象即皮膚電反應。皮膚電反應往往伴隨于心理活動過程中，所以又被稱為心理皮膚電反射。皮膚電阻（dermal resistance）是心理現象外顯的一種表現形式，心理學家應用皮膚電阻測量神經系統活動已有很久的歷史。皮膚電阻和情緒的密切關系已經得到證實，對于情緒這一難以監測的心理活動，利用皮膚電阻這個間接手段進行測定成為了最有效的方法。皮膚電阻變化的絕對值代表了應激狀態下交感神經的活動程度，可能受到機體生理狀態及交感神經興奮性的影響。

Kuno研究表明，人體的活動汗腺以四肢內側面最少，而手腳掌為“精神性出汗區”，其汗腺功能與身體其他部位的體溫調節性出汗不同，主要對精神性活動或感覺刺激敏感。當人們情緒變化時，交感神經活動度發生變化，汗腺分泌活動改變，皮膚的導電性也發生變化，因此可將皮膚電阻作為反映交感神經活動水平和情緒緊張度的指標。皮膚電阻傳感器有兩個電極，分別貼在食指和中指上作為測試部位。

2.脈搏信息心理學基礎

依據張穎清在20世紀80年代初提出的“生物體每一相對獨立的部分在化學組成的模式上與整體相同，是整體成比例的縮小”命題，壽小云教授提出了通過脈搏信息感知心理情緒狀態的心理脈象理論。按照生物全息律的觀點，寸口脈作為一個獨立的演化部位，將攜帶整個機體的全部信息。心理脈象的信息特征主要表現為脈象振動覺和局部組織形態學的改變。

人體各種感覺器官在接受外界刺激后，會產生一系列神經沖動，這些神經沖動一部分經過傳入神經投射到大腦皮質感覺中樞產生特定感覺，另一部分則沿傳入神經通路投射到大腦皮質下中樞的邊緣系統，在那里發生非特異性反射。這種反射的結果，一方面產生心理效應，另一方面通過植物神經系統，產生心理情緒的外周效應。心理情緒的外周效應對脈象一般形態特征的影響與調節，主要是由植物神經、內分泌激素及心血管血液動力學的變化與調節所控制。這種調節基本是一種宏觀調節，它使脈象的總體攜帶有心理情緒的特征，并反應了心臟、血管、血液、神經、內分泌等多系統的信息。心理情緒外周效應對主體脈搏特征的影響，主要表現為對脈象振動成分的影響，使脈搏頻譜和脈搏特征出現變異現象，從而攜帶該種情緒的頻率特征。

三、采集系統構建

脈搏信息采集系統是本研究設計的采集尺脈位置的脈搏振動覺信息的裝置系統，由采集模塊、片上處理模塊、無線傳輸模塊等組成。采集模塊傳感器有皮膚電阻傳感器和壓電脈搏傳感器，采用AVR的處理器，84 MHz晶振，能快速進行運算放大和AD采樣。此壓電脈搏傳感器采用高度集成化工藝，將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調理電路集成在傳感器內部，使其具有靈敏度高、抗干擾性能強、過載能力大、一致性好、性能穩定可靠等特性。無線傳輸模塊采用WIFI實現，將采集的實時信息傳到上位機進行進一步的數據處理，并進行情緒的識別。傳感器的模塊及嵌入式系統如圖1所示。

四、基于小波分析的情緒識別

小波分析是當前應用數學和工程學科中一個迅速發展的新領域，它是泛函分析、Fourier分析、樣條分析、數值分析的完美結晶。與Fourier變換相比，小波變換是空間（時間）和頻率的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息。

本研究采用比利時女數學家Ingrid Daubechies創造的Daubechies小波系來分析一維離散信號。Daubechies小波系是一系列二進制小波的總稱，小波函數與尺度函數的有效支撐長度為2N-1。N為小波的階數，N值取為2，3，……，10。當N取1時便成為Haar小波。除一階小波外，其他階小波都沒有明確的數學表達式，Daubechies小波系的尺度函數和相應的小波函數通常由二尺度方程式（1）和小波方程（2）構造出來，以數表和曲線的方式給出。

通過小波分析，提取隱埋于其中的特征信息，并將所獲得的多種特征信息進行系統層面上的綜合集成，則可以辨識出情緒所處狀態。它能從某些表面上看不出含有多少信息的人體電阻和脈搏信息的輸出數據中辨識出許多深埋在其中的情緒識別特征信息，為基于多源信息融合的情緒識別提供支持。

美國科幻驚悚電影《劇毒蜘蛛》（Spiders）是一部以巨型毒蜘蛛為載體激發人體恐懼感的電影，影片中既有輕松愉快的片段，又有小孩頑皮的片段，既有巨型毒蜘蛛吃人和變異的恐怖情節，又有家庭成員之間絕不放棄的故事，所以本部影片中具有多種情緒激勵源。通過對不同的人觀看《劇毒蜘蛛》電影激發的情緒體驗所引起的生理參數變化來識別情緒，所測得的生理參數變化具有多種情緒變化的趨勢。圖2和圖3分別是皮膚電阻與脈搏傳感器電壓的時間曲線圖，多人的曲線有基本一致的圖形包絡。因此通過結合人體電阻變化與脈搏信息，對人的恐懼感進行識別的方法具有一定的普適性。

如圖4所示，可以看到在圖中橫坐標0.75左右（即1500s）的位置，人體皮膚電阻有一個階躍式的降低，這與恐怖情節的主觀報告時間節點基本一致，印證了人恐懼時皮膚電阻急劇變小的理論。

依據壽小云教授的心理脈象學理論，在人感受到恐懼時，右手尺脈位置血管壁高度緊張拘緊，在血管中血流的搏動下，會出現小范圍的悸動和震顫的感覺，脈壁上附有一種極細的震顫感，在圖5中，a10的橫坐標大約1.5處，展示的是血管壁高度緊張拘緊，震動基線降低，并且在d7、d8、d9和d10的橫坐標1.5處震動幅度明顯降低，表示右手尺脈血管壁小范圍的悸動和震顫。圖中標識與電影中的情節恐懼感基本一致，通過基于人的主觀體驗的情緒報告，以及與人體皮膚電阻的變化規律，印證了脈搏振動覺分析恐懼情緒的適用性、有效性與正確性。

五、結論

本文重點討論了基于體感網和小波分析理論的情緒分析識別系統，利用計算機設備實現人體生理特征參數的采集，特別是脈搏振動信號的數字化采集，將采集到的脈搏振動數字信號通過小波分析提取出多個特征值的結合，以此判明受試者處于哪一類情緒，最終實現恐懼情緒與非恐懼情緒的分析識別的機制。下一步工作將依據此模型，利用多特征數據融合的方法進行較多基本情緒的識別工作，進一步提高識別的準確性、普適性和可靠性。