專利名稱：用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型技術(shù)涉及一種用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
認(rèn)知科學(xué)的研究顯示感情與認(rèn)知能力并非毫無(wú)關(guān)系，Simon (1976)發(fā)現(xiàn)感情對(duì) 認(rèn)知能力起著很強(qiáng)的影響作用，也就是說(shuō)，情感因素可以影響人類的感知，心理，和行為。同 時(shí)，在計(jì)算機(jī)交互系統(tǒng)的使用中，人類的感情因素也起到了重要的作用。在研究各種類型人 群如何利用信息檢索系統(tǒng)進(jìn)行信息獲取的過(guò)程時(shí)，Kuhlthau發(fā)現(xiàn)用戶明顯經(jīng)歷一系列的情 感狀態(tài)變化，從過(guò)程最初的不確定狀態(tài)，到過(guò)程中的迷惑，沮喪，直至最后的自信，放松與滿 足，或者產(chǎn)生完全相反的狀態(tài)一及其失望。其他研究人員也發(fā)現(xiàn)人們?cè)谛畔z索過(guò)程中的 反應(yīng)是一個(gè)有規(guī)律的認(rèn)知過(guò)程。因而，設(shè)計(jì)一個(gè)全面考慮人們?cè)谛畔⑺阉鬟^(guò)程中情感因素 的系統(tǒng)，在信息科學(xué)研究中，是非常必要的。在更為常見(jiàn)的人機(jī)交互領(lǐng)域中，用戶情感方面的反應(yīng)、評(píng)價(jià)與分析也是一個(gè)非常 重要的因素。基本的感情，比如，焦慮、恐懼、高興、悲傷、驚訝、絕望與憤怒，都被發(fā)現(xiàn)對(duì)人們 的學(xué)習(xí)過(guò)程有重要影響。過(guò)度的負(fù)面情感因素，會(huì)阻礙或者減緩學(xué)習(xí)效率。正面的感情因 素，則有助于建立自信和效率，積極提高用戶的學(xué)習(xí)效果。因此，針對(duì)用戶情感進(jìn)行認(rèn)真設(shè) 計(jì)的系統(tǒng)，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的易用性，從而，會(huì)對(duì)軟件工業(yè)提供更好的經(jīng)濟(jì)效益，獲 得更大的用戶群?；谝陨涎芯拷Y(jié)果可知，在信息科學(xué)以及人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有效的探測(cè)人們 在使用系統(tǒng)的過(guò)程中的多種關(guān)鍵情感變化，可以提高系統(tǒng)的易用性，增加相應(yīng)的社會(huì)和經(jīng) 濟(jì)效益。然而，一套有效的針對(duì)該領(lǐng)域的測(cè)試系統(tǒng)還未有效的成型。目前，一些相關(guān)的獨(dú)立 的檢測(cè)技術(shù)，在情感探測(cè)等方面有了一定應(yīng)用。這些技術(shù)通過(guò)檢測(cè)例如血壓，呼吸，脈搏，以 及皮電等一些人體參數(shù)的變化，來(lái)探測(cè)人類情感的某些方面的波動(dòng)。另外，一些外在的信息 探測(cè)系統(tǒng)，例如眼球追蹤系統(tǒng)，已經(jīng)在一定程度上，在人際交互系統(tǒng)中用于分析人類行為的 認(rèn)知。因此，如何整合現(xiàn)有技術(shù)，提供一種低成本，中等精度，針對(duì)信息系統(tǒng)以及人機(jī)交 互系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)課題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種低成本、中等精度的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系 統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)該方向的空缺。為達(dá)到上述目的及其它目的，本實(shí)用新型提供的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的 情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，包括呼吸測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、皮電檢測(cè)電路及計(jì)算機(jī)，其中，呼 吸測(cè)試電路包括繞纏在待測(cè)試人員的胸部且兩端連接有滑阻的彈性織物；與所述滑阻相連 接且用于通過(guò)對(duì)所述滑阻電壓和電流的測(cè)量來(lái)獲得所述滑阻阻值的電阻測(cè)試電路，其中， 所述滑阻的阻值能隨待測(cè)試人員的呼吸變化而發(fā)生相應(yīng)變化；脈搏測(cè)試電路包括能發(fā)出透過(guò)待測(cè)試人員指尖的光線的發(fā)光二極管電路和與所述發(fā)光二極管電路對(duì)應(yīng)設(shè)置且用于 將探測(cè)到的發(fā)光二極管的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的光電池探光電路；用于測(cè)量待測(cè)試人員的 皮膚表面電阻的皮電檢測(cè)電路包括在所述待測(cè)試人員的食指與無(wú)名指之間放置一組測(cè)量 電極、及與所述測(cè)量電極連接的且能持續(xù)輸出固定電流的恒流源；計(jì)算機(jī)用于將所述呼吸 測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、及皮電檢測(cè)電路所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換后通過(guò)固定的 加權(quán)方法予以整合，并根據(jù)測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)待測(cè)試人員在測(cè)試過(guò)程中的情緒變化的觀察及 待測(cè)試人員對(duì)測(cè)試過(guò)程中自身的情緒變化的描述，建立整合后的數(shù)據(jù)與情緒之間的關(guān)聯(lián)模 型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)情緒的實(shí)時(shí)探測(cè)。其中，所述脈搏測(cè)試電路與皮電檢測(cè)電路可都集成在一個(gè)特質(zhì)的手套樣結(jié)構(gòu)中。其中，所述用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)還包括在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)置的用于攝取待測(cè)試人員表情及肢體動(dòng)作的攝像裝置。綜上所述，本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)采用 一些低成本的測(cè)試技術(shù)，通過(guò)整合并利用模式歸類算法，進(jìn)行多特征量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析。同 時(shí)，對(duì)被測(cè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)采訪，利用文本數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)采訪內(nèi)容進(jìn)行社會(huì)學(xué)分析，進(jìn)行情 感分析。進(jìn)而，將信號(hào)分析結(jié)果與情感分析結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立有 效的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)情感的探測(cè)。

圖1是本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的呼吸 測(cè)試電路示意圖。圖3是本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的四線 制測(cè)量電路圖。圖4是本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的脈搏 測(cè)試電路圖。圖5是本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)的影音 數(shù)據(jù)與信號(hào)數(shù)據(jù)匹配示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)至 少包括呼吸測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、皮電檢測(cè)電路、及計(jì)算機(jī)等。所述呼吸測(cè)試電路包括繞纏在待測(cè)試人員的胸部且兩端連接有滑阻的彈性織物 (如圖2所示)，所述滑阻的阻值能隨待測(cè)試人員的呼吸變化而發(fā)生相應(yīng)變化；與所述滑阻相 連接且用于通過(guò)對(duì)所述滑阻電壓和電流的測(cè)量來(lái)獲得所述滑阻阻值的電阻測(cè)試電路，在本 實(shí)施例中，采用的四線制電阻測(cè)試電路，如圖3所示，AD586N提供一個(gè)5V的基準(zhǔn)電壓，保證 了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在不同溫度下的穩(wěn)定性。集成電路0P400中的U2A和U2B單元，通過(guò)相互 的電路反饋，結(jié)合5V基準(zhǔn)電壓，形成了一個(gè)高度穩(wěn)定的橫流源，在這里，該恒定電流被設(shè)定 為0. 5mA。該高穩(wěn)定的電流流過(guò)被測(cè)電阻，電流在電阻上的電勢(shì)變化通過(guò)0P400的U2C單元進(jìn)行信號(hào)預(yù)放大，放大后的信號(hào)通過(guò)U2D所構(gòu)成的截止頻率為IHz的低通濾波器，進(jìn)行信號(hào) 平滑。平滑后的信號(hào)通過(guò)儀表放大器AD627進(jìn)行偏置，調(diào)節(jié)與放大，使信號(hào)到達(dá)最佳的采集 狀態(tài)。所述脈搏測(cè)試電路包括能發(fā)出透過(guò)待測(cè)試人員指尖的光線的發(fā)光二極管電路和 與所述發(fā)光二極管電路對(duì)應(yīng)設(shè)置且用于將探測(cè)到的發(fā)光二極管的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的光 電池探光電路，如圖4所示，在這個(gè)電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)三極管Ql的基極電流，將電流相對(duì)穩(wěn) 定的固定在10mA，使電流穩(wěn)定的通過(guò)紅色發(fā)光二極管，同時(shí)在二極管的正對(duì)面放置一個(gè)光 電池，與集成電路LM324的UlB單元相連，構(gòu)成跨阻放大器，Rl, R2和R5是跨阻放大系數(shù)， 將電流值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。電容C5，C6與電阻R9，RlO在這里組成了一個(gè)截止頻率為 IHz的二階低通濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑。處理后的信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)lA電壓跟隨器，該單元起到 緩沖的作用，為電路提供阻抗匹配。所述皮電檢測(cè)電路用于測(cè)量待測(cè)試人員的皮膚表面電阻，包括在所述待測(cè)試人員 的食指與無(wú)名指之間放置一組測(cè)量電極、及與所述測(cè)量電極連接的且能持續(xù)輸出固定電流 的恒流源，其同樣可使用類似于圖3所示的四線制電阻測(cè)試單元，進(jìn)行皮電的測(cè)試。測(cè)試到 的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)截止頻率為IHz的低通濾波器，過(guò)濾后的電壓數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)12位的模擬數(shù) 字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在本實(shí)施例中，脈搏測(cè)試電路與皮電檢測(cè)電路都集成在一個(gè)特質(zhì)的手套樣結(jié)構(gòu) 中，以便于測(cè)試。所述計(jì)算機(jī)用于將所述呼吸測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、及皮電檢測(cè)電路所檢測(cè)出 的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換后通過(guò)固定的加權(quán)方法予以整合，并根據(jù)測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)待測(cè)試人 員在測(cè)試過(guò)程中的情緒變化的觀察及待測(cè)試人員對(duì)測(cè)試過(guò)程中自身的情緒變化的描述，建 立整合后的數(shù)據(jù)與情緒之間的關(guān)聯(lián)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)情緒的實(shí)時(shí)探測(cè)。在本實(shí)施例中，計(jì)算機(jī) 先將采集到的數(shù)據(jù)首先采用10秒鐘的采樣窗口，進(jìn)行快速傅立葉變化，得到相應(yīng)變化的頻 率區(qū)間。其中以測(cè)試開(kāi)始前的初始階段的頻率為基準(zhǔn)頻率，將心跳和呼吸頻率與基準(zhǔn)頻率 相比較，得到以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以頻率變化比例為縱坐標(biāo)的數(shù)據(jù)組。同時(shí)以測(cè)試初期的皮電 電壓信號(hào)為基準(zhǔn)，將每個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)與該基準(zhǔn)進(jìn)行比較，獲取一組百分比的變化，之后以10 秒鐘為窗口進(jìn)行平均處理。之后，采取1 :1. 5 5的權(quán)重比例，分別對(duì)呼吸，脈搏和皮電的百 分變化進(jìn)行加權(quán)相加，獲取一組新的數(shù)據(jù)組，被用作信號(hào)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，采用攝像裝置攝取待測(cè)試人員的表情和肢體動(dòng)作的變化(即 影音采訪方法)，例如，使用三個(gè)攝像頭，正對(duì)人的面部，收集人的面部變化以及眼睛的變 化。第二個(gè)主要收集人的上肢的變化，包括手的位置，各時(shí)刻的姿勢(shì)等信息。第三個(gè)攝像頭 主要收集人的下肢的變化，主要考慮人的腳與腿在緊張和急躁時(shí)刻的各種變化。在測(cè)試結(jié) 束后，分別對(duì)三個(gè)攝像頭的過(guò)程進(jìn)行分析編碼，對(duì)不同的行為進(jìn)行加權(quán)標(biāo)定，對(duì)同一行為中 的反應(yīng)級(jí)別也進(jìn)行分級(jí)。主要行為歸為憤怒、厭惡、焦慮、無(wú)反應(yīng)、喜歡和很喜歡六類，每一 類中的等級(jí)再分為7級(jí)。在分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)時(shí)間軸上的事件對(duì)被測(cè)試者進(jìn)行采訪，要求敘述其面對(duì)該 事件時(shí)的心理反應(yīng)歷程，將該歷程按照上面的分類方法進(jìn)行打分，同時(shí)乘以一個(gè)加權(quán)數(shù)，這 里定為1.5。該數(shù)據(jù)可以根據(jù)具體情況實(shí)時(shí)更改。將被測(cè)者的數(shù)據(jù)與測(cè)試人員在測(cè)試過(guò)程 對(duì)待測(cè)人員的觀測(cè)數(shù)據(jù)相加為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)制成數(shù)據(jù)組。[0024]計(jì)算機(jī)將該數(shù)據(jù)組和所述呼吸測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、及皮電檢測(cè)電路測(cè)試后 生成的數(shù)據(jù)組進(jìn)行關(guān)聯(lián)(如圖5所示)。從圖中可以看出，情感數(shù)據(jù)由于設(shè)計(jì)兩方面的因 素，所以出現(xiàn)正負(fù)兩級(jí)數(shù)據(jù)。對(duì)該組數(shù)據(jù)取絕對(duì)值，則和信號(hào)數(shù)據(jù)具有相同的趨勢(shì)，因此，兩 者之間存在強(qiáng)相關(guān)性。因此，計(jì)算機(jī)在兩組數(shù)據(jù)之間使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行建模，獲取兩組 數(shù)據(jù)之間的關(guān)系式，即建立了關(guān)聯(lián)模型，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)情緒的實(shí)時(shí)探測(cè)。該實(shí)用新型得出的模型被用于多個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試與升級(jí)。經(jīng)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，該模型 可以正確描述73%的情感反應(yīng)。在模型計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)改良，對(duì)出現(xiàn)負(fù)面情緒 的交互點(diǎn)進(jìn)行改良。改良后的系統(tǒng)再次經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)23%的系統(tǒng)在不同程度上得到了改 善，說(shuō)明該檢測(cè)系統(tǒng)與檢測(cè)算法在一定程度上，可以用于實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化過(guò)程。同 時(shí)，更進(jìn)一步的研究表明采用系統(tǒng)模型和影音采訪方法同時(shí)使用的方式，可以提高系統(tǒng)更 改的準(zhǔn)確性，改善38%的系統(tǒng)的易用性。上述實(shí)施例僅列示性說(shuō)明本實(shí)用新型的原理及功效，而非用于限制本實(shí)用新型。 任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人員均可在不違背本實(shí)用新型的精神及范圍下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修 改。因此，本實(shí)用新型的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書(shū)所列。
權(quán)利要求1.一種用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括呼吸測(cè) 試電路，包括繞纏在待測(cè)試人員的胸部且兩端連接有滑阻的彈性織物，所述滑阻的阻值能 隨待測(cè)試人員的呼吸變化而發(fā)生相應(yīng)變化；與所述滑阻相連接且用于通過(guò)對(duì)所述滑阻電壓 和電流的測(cè)量來(lái)獲得所述滑阻阻值的電阻測(cè)試電路；脈搏測(cè)試電路，包括能發(fā)出透過(guò)待測(cè) 試人員指尖的光線的發(fā)光二極管電路和與所述發(fā)光二極管電路對(duì)應(yīng)設(shè)置且用于將探測(cè)到 的發(fā)光二極管的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的光電池探光電路；皮電檢測(cè)電路，用于測(cè)量待測(cè)試人 員的皮膚表面電阻，包括在所述待測(cè)試人員的食指與無(wú)名指之間放置一組測(cè)量電極、及與 所述測(cè)量電極連接的且能持續(xù)輸出固定電流的恒流源；計(jì)算機(jī)，用于將所述呼吸測(cè)試電路、 脈搏測(cè)試電路、及皮電檢測(cè)電路所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換后通過(guò)固定的加權(quán)方法予 以整合，并根據(jù)測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)待測(cè)試人員在測(cè)試過(guò)程中的情緒變化的觀察及待測(cè)試人員 對(duì)測(cè)試過(guò)程中自身的情緒變化的描述，建立整合后的數(shù)據(jù)與情緒之間的關(guān)聯(lián)模型，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)情緒的實(shí)時(shí)探測(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于所述脈搏測(cè)試電路與皮電檢測(cè)電路都集成在一個(gè)特質(zhì)的手套樣結(jié)構(gòu)中。
3.如權(quán)利要求1所述的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于還包括在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的用于攝取待測(cè)試人員表情及肢體動(dòng)作的攝像裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于所述電阻測(cè)試電路為四線制電阻測(cè)試電路。
專利摘要本實(shí)用新型的用于信息科學(xué)和人機(jī)交互系統(tǒng)的情感實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)，包括呼吸測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、皮電檢測(cè)電路及計(jì)算機(jī)，其中，呼吸測(cè)試電路包括繞纏在待測(cè)試人員的胸部且兩端連接有滑阻的彈性織物、與滑阻相連接的電阻測(cè)試電路；脈搏測(cè)試電路包括能發(fā)出透過(guò)待測(cè)試人員指尖的光線的發(fā)光二極管電路和與發(fā)光二極管電路對(duì)應(yīng)設(shè)置的光電池探光電路；皮電檢測(cè)電路包括一組測(cè)量電極、及與測(cè)量電極連接的恒流源；計(jì)算機(jī)用于將呼吸測(cè)試電路、脈搏測(cè)試電路、及皮電檢測(cè)電路所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換后予以整合，并根據(jù)測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)待測(cè)試人員在測(cè)試過(guò)程中的情緒變化及待測(cè)試人員對(duì)自身情緒變化的描述，建立整合后的數(shù)據(jù)與情緒之間的關(guān)聯(lián)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)情緒的實(shí)時(shí)探測(cè)。
文檔編號(hào)A61B5/16GK201814558SQ20102019407
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者張言, 曹慧 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)