脑电信号情绪识别研究综述.docx

情绪是人在外界刺激条件下所产生的一种综合状态。良好的情绪状态有利

于保持身心健康,而长期的不良情绪对人的心理健康和生理健康都有极大的影

响。例如,长期的不良情绪容易引发抑郁症,影响人的社会功能和人际交往,甚至

会威胁到生命安全;对于心脑血管疾病患者来说,愤怒、焦虑等极端情绪会增加

发病的风险;驾驶员在驾驶过程中产生的愤怒情绪,容易引发路怒症,严重影响驾

驶员和其他交通参与者的生命安全等。综上所述,情绪对人类生活的各个方面

都产生着重要的影响,因此,准确地识别情绪显得尤为重要。

现阶段情绪识别的方式主要分为两方面：一是通过人的面部表情、语音声

调、身体姿态等非生理信号进行识别

,由于这些非生理信号可以通过伪装等手

[2,3,4]

由于伴随情绪所产生的生理信号是由人体的神经系统和内分泌系统自发产生

的,不易受到人为因素的影响,生理信号能够更准确地反映人类的情绪状态,基

于生理信号的情绪识别能获得更加客观真实的结果,也更有利于实际应用

[5]

。

脑电是由中枢神经系统产生的一种空间离散的非平稳随机信号,可以直接

记录头皮电位的变化情况,相比其他生理信号更能真实可靠地反映人的情绪状

态

[6]

领域受到了越来越多研究者的青睐,并取得了一定的研究成果。

脑电信号进行情绪识别的主要方法和研究进展,最后对目前存在的问题以及未

来的挑战进行了总结和展望。

1.1 情绪 的 定 义 和 分类

情绪是在外界刺激条件下的人的复杂的生理物理变化过程,具有 3 种成分：

主观体验,即人对于不同情绪的自我感受;外部表现,即人处在不同情绪时身体各

部分动作的量化反应形式,包括面部表情、姿态表情和语调表情;生理唤醒,即由

情绪的变化所引起的生理信号的变化,生理唤醒是一种生理的激活水平,不同情

绪的生理反应模式是不一样的

方法。主体诱发方法虽然能有效地诱发出目标情绪,但是由于它需要被试有意

识的合作,会导致实验条件不可控。为了使实验更加可控,很多研究者选择使用

事件诱发方式来进行情绪诱发相关实验。在事件诱发方法中,使用视频片段作

为刺激素材同时综合了听觉、视觉情绪刺激的优点,能够更有效地诱发情绪,因

此视频片段情绪诱发方法被广泛应用。目前最常用的情绪诱发方法是通过图片、

音乐和视频等外部刺激诱发被试的不同情绪。Koelstra 等人

[9]

通过音乐视频材

料的刺激诱发被试情绪,采集了 32 名被试观看音乐视频时的 32 导脑电信号,并

且 记 录 了 被 试 对 诱 发 视 频 的 效 价 （ valence ） 、 唤 醒 （ arousal ） 、 喜 好

（liking）、支配（dominance）心理量表以及前 22 名被试的面部表情视频,提

片段时的 62 导脑电信号,其中男性 7 名,女性 8 名,平均年龄为 23~27 岁。

情绪识别的另一问题是如何划分情绪,也就是建立情绪分类模型。采用一

个世界通用的分类标准将有利于不同研究结果间的可比性和推广性

[12]

。现有的

情绪量化模型主要有离散模型和连续模型两种。在离散模型中,情绪空间由离

散而有限的基本情绪构成,例如著名心理学家 Ekman 提出的 6 种基本情绪类别

（愤怒（anger）、厌恶（disgust）、恐惧（fear）、高兴（happiness）、悲

伤（sadness）、惊讶（surprise））在情绪识别领域得到广大学者的认可

[13]

。

随着情绪研究的深入,人们认识到情绪的产生和消失是一个持续不断的过程,从

而提出了连续模型。连续模型认为每种情绪都是一个连续体上的一部分,每种

情绪状态都可以在二维空间或者三维空间中找到与之对应的一点。常用的连续

模型是二维情绪模型,基于认知评价将情绪空间划分为效价和唤醒两个维度,效

价表示情绪是积极还是消极的,唤醒度反映情绪的强烈程度

[14]

,如图 1 所示,在维

度模型中,各种复杂的情绪都可以用这两个维度的线性组合来表示。

图 1

的大脑电位变化。（2）诱发脑电。对人施加某种感官刺激（如声、光、图像、

体感等）时,在脑中相应部位诱发的电位变化

蕴含着丰富的信息。EEG 是一种空间离散的非平稳时变信号,时域波形较不规

则,难以总结规律,从频域上看,它具有节律性,各个节律和具体描述如表 1 所示

[16]

Table 1 Different frequency bands of EEG signal and their description

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脑电信号的采集一般是通过将物理电极放置在头皮处实现的,采集方式主

要分为侵入式和非侵入式两种。侵入式采集方法得到的脑电信号具有更高的精

度和更低的噪声,但是为了安全起见,非侵入式的采集方法仍然被广泛使用。根

据采集设备的不同,非侵入式采集方式主要分为干电极采集设备和湿电极采集

设备两种,如图 2 所示。湿电极采集设备需要在电极和大脑皮层之间添加一些

导电介质,可以减少电阻干扰,有利于采集信号的稳定性,但是导电介质容易消

耗磨损,使用周期较短,因此不利于持续性长时间的脑电信号采集。此外,在头皮

上涂抹粘稠的电解质也会影响被试的体验。干电极采集设备的优点是不需要添

加导电介质,可以减少受试者长时间参与实验产生的不适感,更有利于脑电采集