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문제 정의
- 본 연구에서는 HCI 분야에서 정서 인식에 주로 사용되는 무료함, 통증, 놀람에 대한 자율신경계 반응을 확인하였다. 이들 세 정서는 일상에서 자주 경험하는 정서임에도 불구하고, 선행 연구에서는 이들에 대한 정서-특정적 자율신경계 반응이 명확하게 밝혀지지 않았다.
- 본 연구에서는 기본 정서 이외의 무료함, 통증, 그리고 놀람 정서에 의해 유발되는 정서-특정적 자율신경계 반응의 차이를 밝히고자 하였다. 무료함(boredom)은 단조롭고 지겹거나 자극의 부재를 지각할 때 경험하는 정서로(Fisher, 1993), 흥미가 부족하거나 집중의 어려움을 느낄 때 나타나는 불쾌하고 일시적인 정서 상태이며, 인지적 주의과정과 관련된 정서적 경험이다(Leary, Rogers, Canfield, & Coe, 1996).
- 본 연구에서는 기본 정서 이외의 무료함, 통증, 그리고 놀람 정서에 의해 유발되는 정서-특정적 자율신경계 반응의 차이를 확인하였다. 심박률 변산의 세 가지 지표인 LF, HF와 HRV를 제외한 모든 자율신경계 반응 지표에서 안정상태에 비하여 정서상태에서 유의한 변화를 보였으며, 이는 정서 간 차이로 나타났다(표 5).
제안 방법
- 또한 심전도 전극은 양측 손목과 우측 발목에, 광혈량도 측정을 위한 센서를 왼손 엄지의 끝마디에 부착하였다. 계측 시 샘플링 포인트는 250samples/sec이었고, 각 신호의 증폭기를 통하여 신호를 증폭한 후, 증폭된 신호를 MP150(Biopac, USA) A/D 변환기와 AcqKnowledge v4.1(Biopac, USA) 프로그램을 이용하여 컴퓨터에 저장하였다.
- 무료함 자극은 화면 중앙에 ‘+’가 제시된 그림과 2초마다 한 번씩 1~10까지의 숫자를 반복하는 소리의 조합(3분)으로 구성되었고, 통증 자극은 “+” 화면과 지압기와 커프를 이용한 압박을 조합(1분)한 것이다. 놀람 자극은 주의를 집중해야 하는 게임 화면이 제시되는 동안 비명소리, 유리 깨지는 소리, 천둥소리 등의 청각 자극과 놀란 얼굴 사진, 번개 등의 시각 자극을 함께 제시하도록 구성하였다(1분).
- 생리 신호의 노이즈가 많거나 해당 정서를 느끼지 않은 실험참여자들을 제외한 202명의 데이터를 분석에 사용하였다. 먼저 각 정서별 안정상태와 정서상태 간의 차이 검증을 실시하였고, 이들 두 상태의 차이값을 이용하여 정서별 차이 검증을 수행하였다.
- 본 연구에서는 ‘깜짝 놀람(startle)’에 가까운 정서로 한정하여 부적 정서가를 가지는 놀람 정서를 유발하였다.
- 실험자는 생리 신호를 측정하기 위하여 실험참여자의 신체에 센서를 부착하였다. 실험이 시작되면, 1분 동안의 안정상태를 측정한 후, 정서 자극이 제시되는 동안 생체 신호를 측정하였다. 자극 제시가 끝나면, 실험참여자는 자극에 대한 정서 평가를 수행하였다.
- 이 과정은 자극의 이월효과를 최소화하기 위하여 4∼5분의 충분한 시간을 두고 각 정서 자극마다 반복되었고, 정서 자극의 순서효과를 배제하기 위하여 실험참여자마다 자극을 무선적으로 제시하였다.
- 측정된 생리 신호는 피부전기활동(electrodermal activity, EDA), 피부온도(skin temperature, SKT), 심전도(electrocardiogram, ECG)와 광혈량도(photoplethysmograpy, PPG)이었다(그림 2). 피부전기활동 측정을 위하여 왼손 중지와 검지의 가운데 마디에 전극을 부착하였고, 피부온도 측정을 위하여 왼손 약지의 끝마디에 센서를 부착하였다. 또한 심전도 전극은 양측 손목과 우측 발목에, 광혈량도 측정을 위한 센서를 왼손 엄지의 끝마디에 부착하였다.
- 획득된 신호 중에서 자극 제시 전 안정상태 30초와 실험자가 정서를 느꼈다고 자기-보고한 장면에 해당하는 정서상태 30초 동안의 신호를 분석에 활용하였다. 분석에 사용된 지표로서, 피부전기활동에서 피부 전도수준(skin conductance level, SCL), 피부전도반응(skin conductance response, SCR)이 추출되었고, 피부 온도에서 평균피부온도(mean skin temperature, SKT), 심전도에서 심박률(heart rate, HR), 심박률의 저주파수 성분(low frequency, LF)과 고주파수 성분(high frequency, HF), 그리고 심박동변이도(heart rate variability, HRV), 마지막으로 광혈량도에서는 혈류량 파형의 진폭(blood volume pulse amplitude, BVPA)과 맥파전달시간(pulse transit time, PTT)이 추출되었다.
대상 데이터
- BIOPAC MP150 하드웨어(Biopac Inc. USA)가 생리 신호 측정에 사용하였다. 측정된 생리 신호는 피부전기활동(electrodermal activity, EDA), 피부온도(skin temperature, SKT), 심전도(electrocardiogram, ECG)와 광혈량도(photoplethysmograpy, PPG)이었다(그림 2).
- 본 연구에 사용된 정서 자극은 1~3분 길이의 시청각 자극의 조합으로 구성되었고, 각 정서 자극의 예시는 그림 1과 같다. 무료함 자극은 화면 중앙에 ‘+’가 제시된 그림과 2초마다 한 번씩 1~10까지의 숫자를 반복하는 소리의 조합(3분)으로 구성되었고, 통증 자극은 “+” 화면과 지압기와 커프를 이용한 압박을 조합(1분)한 것이다.
- 생리 신호의 노이즈가 많거나 해당 정서를 느끼지 않은 실험참여자들을 제외한 202명의 데이터를 분석에 사용하였다. 먼저 각 정서별 안정상태와 정서상태 간의 차이 검증을 실시하였고, 이들 두 상태의 차이값을 이용하여 정서별 차이 검증을 수행하였다.
- 실험참여자는 남자 96명, 여자 121명이었고, 이들의 평균 연령은 22.3±2.04세이었다.
- 충남대학교에 재학 중인 만 19~25세의 대학생 217명이 본 실험에 참여하였다. 실험참여자는 남자 96명, 여자 121명이었고, 이들의 평균 연령은 22.
데이터처리
- 각 정서별로 안정상태와 정서상태간 차이를 검증하기 위하여 대응표본 t검증(paired t-test)을 실시하였다(표 3). 무료함에서는 안정 상태보다 SCL, SCR, SKT, HR이 유의하게 증가하였고, BVP는 유의하게 감소하였다.
- 각 정서에 대한 자율신경계 반응의 차이를 확인하기 위하여 정서상태에서 안정상태를 뺀 차이값을 이용하여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였다(표 4). 그 결과, SKT와 심박률 변산의 세 지표인 LF, HF, HRV를 제외한 모든 지표에서 정서 간의 유의한 차이를 보였다.
- 이들 정서 간 차이를 구체적으로 확인하기 위하여 LSD 사후 검증을 실시하였다. SCL, SCR, meanSKT, HR, BVP와 PTT에서 정서 간 유의한 차이가 있었고, 심박률변산 지표인 LF, HF와 HRV에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다.
성능/효과
- 이들 정서 간 차이를 구체적으로 확인하기 위하여 LSD 사후 검증을 실시하였다. SCL, SCR, meanSKT, HR, BVP와 PTT에서 정서 간 유의한 차이가 있었고, 심박률변산 지표인 LF, HF와 HRV에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. SCL, SCR과 PTT는 세 정서 모두 유의한 차이를 보였고(그림 3, 4와 8), meanSKT는 무료함이 통증에 비하여 유의하게 변화량이 크게 나타났고(그림 5), HR은 놀람이 무료함과 통증에 비하여 유의하게 큰 변화를 보였다(그림 6).
- 세 정서의 자율신경계 반응 패턴은 모두 동일하였다. SCL, SCR, meanSKT와 HR은 모두 안정상태보다 증가하였고, BVP와 PTT는 안정상태에 비하여 감소하는 패턴을 보였다. 무료함은 meanSKT에서 큰 증가를 보여 다른 두 정서와 뚜렷이 구분되었고, 통증과 놀람은 SCL, SCR, BVP와 PTT에서 유의한 증가를 보이나, 특히 놀람은 HR에서 큰 증가를 보여 통증과 구분되었고, 무료함과는 모든 지표에서 유의한 차이를 보였다.
- SCL, SCR, meanSKT, HR, BVP와 PTT에서 정서 간 유의한 차이가 있었고, 심박률변산 지표인 LF, HF와 HRV에서는 유의한 차이가 나타나지 않았다. SCL, SCR과 PTT는 세 정서 모두 유의한 차이를 보였고(그림 3, 4와 8), meanSKT는 무료함이 통증에 비하여 유의하게 변화량이 크게 나타났고(그림 5), HR은 놀람이 무료함과 통증에 비하여 유의하게 큰 변화를 보였다(그림 6). 또한 BVP는 통증과 놀람이 무료함에 비하여 유의하게 큰 변화량을 가지는 것으로 나타났다(그림 7).
- 각 정서에 대한 자율신경계 반응의 차이를 확인하기 위하여 정서상태에서 안정상태를 뺀 차이값을 이용하여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였다(표 4). 그 결과, SKT와 심박률 변산의 세 지표인 LF, HF, HRV를 제외한 모든 지표에서 정서 간의 유의한 차이를 보였다.
- SCL, SCR과 PTT는 세 정서 모두 유의한 차이를 보였고(그림 3, 4와 8), meanSKT는 무료함이 통증에 비하여 유의하게 변화량이 크게 나타났고(그림 5), HR은 놀람이 무료함과 통증에 비하여 유의하게 큰 변화를 보였다(그림 6). 또한 BVP는 통증과 놀람이 무료함에 비하여 유의하게 큰 변화량을 가지는 것으로 나타났다(그림 7).
- 각 정서별로 안정상태와 정서상태간 차이를 검증하기 위하여 대응표본 t검증(paired t-test)을 실시하였다(표 3). 무료함에서는 안정 상태보다 SCL, SCR, SKT, HR이 유의하게 증가하였고, BVP는 유의하게 감소하였다. 통증의 경우, SCL, SCR, BVP와 PTT에서 안정 상태와 정서 상태 간의 유의한 차이가 나타났다.
- SCL, SCR, meanSKT와 HR은 모두 안정상태보다 증가하였고, BVP와 PTT는 안정상태에 비하여 감소하는 패턴을 보였다. 무료함은 meanSKT에서 큰 증가를 보여 다른 두 정서와 뚜렷이 구분되었고, 통증과 놀람은 SCL, SCR, BVP와 PTT에서 유의한 증가를 보이나, 특히 놀람은 HR에서 큰 증가를 보여 통증과 구분되었고, 무료함과는 모든 지표에서 유의한 차이를 보였다. 통증은 BVP에서 큰 변화를 보여 무료함과 뚜렷하게 구분되었다.
- 또한 PTT의 증가는 심혈관계를 조절하는 교감신경계의 활성화가 억압되는 것을 의미한다. 본 연구에서의 PTT의 증가는 교감신경계의 활성화를 반영하며, 통증에 의하여 유발되는 특정적인 자율신경계 반응은 SAM의 활성화와 말초혈관을 수축시키는 교감신경계의 활성화로 설명할 수 있다.
- 획득된 신호 중에서 자극 제시 전 안정상태 30초와 실험자가 정서를 느꼈다고 자기-보고한 장면에 해당하는 정서상태 30초 동안의 신호를 분석에 활용하였다. 분석에 사용된 지표로서, 피부전기활동에서 피부 전도수준(skin conductance level, SCL), 피부전도반응(skin conductance response, SCR)이 추출되었고, 피부 온도에서 평균피부온도(mean skin temperature, SKT), 심전도에서 심박률(heart rate, HR), 심박률의 저주파수 성분(low frequency, LF)과 고주파수 성분(high frequency, HF), 그리고 심박동변이도(heart rate variability, HRV), 마지막으로 광혈량도에서는 혈류량 파형의 진폭(blood volume pulse amplitude, BVPA)과 맥파전달시간(pulse transit time, PTT)이 추출되었다.
- 본 연구에서는 기본 정서 이외의 무료함, 통증, 그리고 놀람 정서에 의해 유발되는 정서-특정적 자율신경계 반응의 차이를 확인하였다. 심박률 변산의 세 가지 지표인 LF, HF와 HRV를 제외한 모든 자율신경계 반응 지표에서 안정상태에 비하여 정서상태에서 유의한 변화를 보였으며, 이는 정서 간 차이로 나타났다(표 5). 세 정서의 자율신경계 반응 패턴은 모두 동일하였다.
- 이들 자극은 본 실험에 앞서 실시한 264명의 집단 심리 실험을 통하여 정서자극으로서의 타당성과 효과성이 검증되었다(표 1). 정서자극은 평균 92.5%의 타당성(100% 만점)과 5.44점의 효과성(7점 만점)을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구에서 정서 자극의 타당성은 실험자가 의도한 정서와 실험참여자가 경험한 정서와의 일치도이며, 효과성은 실험참여자가 경험한 정서의 강도를 의미한다.
- USA)가 생리 신호 측정에 사용하였다. 측정된 생리 신호는 피부전기활동(electrodermal activity, EDA), 피부온도(skin temperature, SKT), 심전도(electrocardiogram, ECG)와 광혈량도(photoplethysmograpy, PPG)이었다(그림 2). 피부전기활동 측정을 위하여 왼손 중지와 검지의 가운데 마디에 전극을 부착하였고, 피부온도 측정을 위하여 왼손 약지의 끝마디에 센서를 부착하였다.
- 무료함은 meanSKT에서 큰 증가를 보여 다른 두 정서와 뚜렷이 구분되었고, 통증과 놀람은 SCL, SCR, BVP와 PTT에서 유의한 증가를 보이나, 특히 놀람은 HR에서 큰 증가를 보여 통증과 구분되었고, 무료함과는 모든 지표에서 유의한 차이를 보였다. 통증은 BVP에서 큰 변화를 보여 무료함과 뚜렷하게 구분되었다.
- 통증은 무료함에 비하여 SCL과 SCR에서 유의하게 증가하고 BVP와 PTT에서 감소하였다. 피부전기활동에서 추출된 SCL과 SCR은 교감신경계의 각성을 직접적으로 확인할 수 있는 지표로, 특히 교감신경계의 부신수질(sympathetic-adrenal-medullary, SAM) 시스템의 활동과 관련이 있는데, 이는 통증의 진행과도 관련되어 있다(Storm, 2008).
- 무료함에서는 안정 상태보다 SCL, SCR, SKT, HR이 유의하게 증가하였고, BVP는 유의하게 감소하였다. 통증의 경우, SCL, SCR, BVP와 PTT에서 안정 상태와 정서 상태 간의 유의한 차이가 나타났다. 놀람 정서에서는 심박률 변산 지표(LF, HF와 HRV)를 제외한 모든 지표에서 안정 상태와 정서 상태 간에 유의한 차이를 보였다.
후속연구
- 향후 연구에서는 본 연구에서 측정한 정서와 기존에 연구된 정서의 자율신경계 반응 간 비교를 통하여 정서-특정적 자율신경계 반응을 규명할 필요가 있다. 이를 기반으로 다양한 감정 반응을 인간과 기계의 보다 정교한 상호작용 피드백에 적용함으로써, 인간의 다양한 감정을 인식하고 피드백 할 수 있는 다양한 인간 친화적인 감성 제품의 개발에 적용 가능할 것이다.
- 이들 세 정서는 일상에서 자주 경험하는 정서임에도 불구하고, 선행 연구에서는 이들에 대한 정서-특정적 자율신경계 반응이 명확하게 밝혀지지 않았다. 향후 연구에서는 본 연구에서 측정한 정서와 기존에 연구된 정서의 자율신경계 반응 간 비교를 통하여 정서-특정적 자율신경계 반응을 규명할 필요가 있다. 이를 기반으로 다양한 감정 반응을 인간과 기계의 보다 정교한 상호작용 피드백에 적용함으로써, 인간의 다양한 감정을 인식하고 피드백 할 수 있는 다양한 인간 친화적인 감성 제품의 개발에 적용 가능할 것이다.
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