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뇌파 및 심전도 복합 생체신호를 이용한 실시간 감정인식 인터페이스 연구
Research of Real-Time Emotion Recognition Interface Using Multiple Physiological Signals of EEG and ECG 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.15 no.2, 2015년, pp.105 - 114  

신동민 (세종대학교 컴퓨터공학과) ,  신동일 (세종대학교 컴퓨터공학과) ,  신동규 (세종대학교 컴퓨터공학과)

초록
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뇌파 및 심전도 생체신호를 복합적으로 이용한 감정인식을 통한 실시간 사용자 인터페이스를 제안한다. 기존에 뇌파를 통한 감정인식의 문제점이었던 낮은 정확도를 개선하기 위해 뇌파의 Theta, Alpha, Beta, Gamma의 상대파워 값과 심전도의 자율신경계 비율을 혼합하는 복합 생체신호 감정 인식 시스템을 개발했다. 기쁨, 공포, 슬픔, 즐거움, 화남, 혐오에 해당하는 6가지 감정을 인식하기 위해 사용자별 확률 값을 저장하는 데이터 맵을 생성하고, 채널에 대응하는 감정 인식의 정확도를 향상시키기 위해 가중치를 갱신하는 알고리즘을 제안한다. 또한 뇌파로 구성된 단일 데이터와 뇌파/심전도 생체신호 복합 데이터의 실험 결과를 비교한 결과 23.77%의 정확도 증가를 보였다. 제안된 인터페이스 시스템은 높은 정확도를 통해 게임 및 스마트 공간의 제어에 필요한 인터페이스로 기기에 활용이 가능할 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We propose a real time user interface that utilizes emotion recognition by physiological signals. To improve the problem that was low accuracy of emotion recognition through the traditional EEG(ElectroEncephaloGram), We developed a physiological signals-based emotion recognition system mixing relati...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서 제안한 실시간 복합 생체신호 감정 인식 인터페이스는 뇌파의 상대파워로 추론된 감정과 심전도로 취득된 사용자의 자율신경계 정보의 혼합으로 감정인식의 정확도를 향상시키려고 한다. 따라서 본 논문에서 제안한 실험은 피험자별로 누적된 뇌파데이터를 베이지안 네트워크로 훈련시킨 후 동일 피험자의 새로운 데이터를 테스트 데이터로 입력했을 때의 정확도를 확인하고 심전도의 특징 값이 추가 되었을 때의 정확도 향상 정도를 확인하려 한다.
  • 따라서 본 논문에서는 감정인식의 정확도와 처리속도를 개선해 다양한 분야에서 이용 가능한 인터페이스의 개발을 위해 뇌파와 심전도를 복합하여 사용하는 생체신호 인터페이스 시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안한 뇌파와 심전도의 복합 생체신호는 뇌파의 감정인식 특징과 심전도의 자율 신경계 비율의 특징을 혼합하는 방법으로 사용자의 감정 상태를 더 정확하게 분류 할 수 있다.
  • 본 논문에서 개발한 시스템은 게임, 스마트 공간의 제어를 위한 “더 자연스러운 인터페이스”를 목표로 한다. 본 논문에서 개발한 시스템을 이용하면 사람에 감정에 따라 게임의 난이도나 오브젝트를 변화하는 서비스나 기분에 맞춰 생활 조명의 조도를 조절하는 서비스 등이 가능할 것이다.
  • 본 논문에서 제안한 실시간 복합 생체신호 감정 인식 인터페이스는 뇌파의 상대파워로 추론된 감정과 심전도로 취득된 사용자의 자율신경계 정보의 혼합으로 감정인식의 정확도를 향상시키려고 한다. 따라서 본 논문에서 제안한 실험은 피험자별로 누적된 뇌파데이터를 베이지안 네트워크로 훈련시킨 후 동일 피험자의 새로운 데이터를 테스트 데이터로 입력했을 때의 정확도를 확인하고 심전도의 특징 값이 추가 되었을 때의 정확도 향상 정도를 확인하려 한다.
  • 본 논문에서는 이러한 생체신호 기반 인터페이스 연구 중 감정을 인식하는 인터페이스에 초점을 맞춘다. 감정은 인성의 기본 구성 요소이자 동기 부여의 중요한 원천이다[11,12].
  • 본 논문에서는 이와 같이 뇌파 데이터의 데이터 테이블 생성하기 위해 각 채널에서 차지하는 상대 파워 값의 비율로 특정 감정을 추론하며 각각의 채널에는 일정한 가중치를 적용하는 방법을 제안한다.
  • 본 논문은 게임뿐만이 아닌 다양한 분야에서 사용이 가능한 복합 생체신호 인터페이스에 대한 연구로 뇌파와 심전도를 혼합한 복합 생체신호를 통한 감정 인식 시스템을 개발했다. 본 논문에서 개발한 시스템은 뇌파와 심전도를 이용해 사용자별 데이터 맵을 생성하고 실시간으로 취득하는 생체신호를 개인화 된 데이터 맵 DB를 통해 감정을 분류하는 역할을 한다.
  • 본 논문은 뇌파와 심전도에 해당하는 복합 생체 신호를 이용해 사용자의 감정을 인식하는 시스템과 인터페이스의 개발을 목표로 한다. 따라서 사용자의 뇌파와 심전도를 동시에 측정하고 특정 감정으로 분류하는 감정 인식시스템의 개발과 이에 연동되는 인터페이스 모듈의 개발이 필요하다.
  • 본 논문의 목적은 게임뿐만이 아니라 다양한 분야에 적용이 가능한 복합 생체신호 인터페이스의 개발이다. 따라서 특별한 상황으로 유도되는 감정이 아닌 일상생활에서 느끼는 감정을 유도하는데 초점을 맞췄다.
  • 본 시스템은 뇌파, 심전도에서 취득되는 감정이 각각의 사용자마다 상이한 패턴을 보이는 점을 보완하기 위해 각각의 사용자마다 데이터 맵을 만들고 지속적으로 가중치를 갱신하는 방법을 제안한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사용자별 확률 값을 저장하는 데이터 맵을 생성할 때 인식하는 감정으로는 무엇이 있나요? 기존에 뇌파를 통한 감정인식의 문제점이었던 낮은 정확도를 개선하기 위해 뇌파의 Theta, Alpha, Beta, Gamma의 상대파워 값과 심전도의 자율신경계 비율을 혼합하는 복합 생체신호 감정 인식 시스템을 개발했다. 기쁨, 공포, 슬픔, 즐거움, 화남, 혐오에 해당하는 6가지 감정을 인식하기 위해 사용자별 확률 값을 저장하는 데이터 맵을 생성하고, 채널에 대응하는 감정 인식의 정확도를 향상시키기 위해 가중치를 갱신하는 알고리즘을 제안한다. 또한 뇌파로 구성된 단일 데이터와 뇌파/심전도 생체신호 복합 데이터의 실험 결과를 비교한 결과 23.
생체신호 기반 인터페이스 기술이란 무엇인가? 이렇게 다양한 연구가 진행되는 가운데 생체신호 기반 인터페이스 기술은 심전도 및 뇌파와 같은 인위적으로 발생 가능한 생체신호를 이용하는 인간 친화적인 인터페이스 기술로서, 문자/ 음성/ 제스처 이후의 차세대 사용자 인터페이스로서 연구되고 있다. 생체신호 기반 인터페이스 기술은 국내외적으로 많은 연구들이 이루어지고 있지만 아직까지 상업적으로 이용할 만한 실용적인 기술을 선보이지 못하고 있다.
뇌파 데이터 테이블과 복합 생체신호 데이터 테이블로 각각 비교하여 정확도와 증가율을 살펴본 결과는 어떠한가? 실험은 복합 생체 신호를 통한 감정인식의 성능을 검증하기 위해 뇌파 데이터 테이블과 복합 생체신호 데이터 테이블로 각각 비교 했고 그 정확도와 증가율을 살펴봤다. 실험 결과 뇌파를 이용한 실험은 평균 66.96%의 정확도를 보인 반면 복합 생체신호를 이용한 실험은 평균 90.72%로 약 23.77%의 증가율을 확인했다.
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참고문헌 (17)

  1. KyungSik Kim, YoonJung Lee, DooNam Oh, "Usability Test of 'Paldokangsan3' a Walking Game for the Elderly", Journal of Korea Game Society, Vol. 15, No. 1, pp145-154, 2015. 

  2. Hae-Gul Pyun, Haeng-A An, Seongmin Yuk, Jinho Park, "A Gesture Interface based on Hologram and Haptics Environments for Interactive and Immersive Experiences", Journal of Korea Game Society, Vol. 15, No. 1, pp27-34, 2015. 

  3. Jonathan R. Wolpaw, Dennis J.. McFarlanda, Gregory W. Neatb, "An EEG-based brain-computer interface for cursor control", Electroencephalography and clinical neurophysiology, Vol. 78, No. 3, pp252-259, 1991. 

  4. Jonathan R. Wolpaw, Dennis J. McFarland, "Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol.101, No. 51, pp17849-17854, 2004. 

  5. QiBin Zhao, LiQing Zhang, Andrzej Cichocki, "EEG-based asynchronous BCI control of a car in 3D virtual reality environments", Chinese Science Bulletin, Vol. 54, No. 1, pp78-87, 2009. 

  6. Woestenburg, J. C., M. N. Verbaten, J. L. Slangen, "The removal of the eye-movement artifact from the EEG by regression analysis in the frequency domain.", Biological psychology, Vol. 16, No. 1 pp127-147, 1983. 

  7. Shusterman, V., Barnea O., "Sympathetic nervous system activity in stress and biofeedback relaxation", Engineering in Medicine and Biology Magazine, IEEE Vol. 24, No. 2, pp52-57, 2005. 

  8. Takayuki, H., Kiyoko Y., "The relaxation biofeedback system with computer and heart rate variability interaction", Technical Report of IEICE, pp35-38, 2003. 

  9. Jennifer H., Rosalind P., "SmartCar: detecting driver stress", Proc. of the 15th IEEE Pattern Recognition 2000 International Conference, Vol. 4, pp218-221, 2000. 

  10. Cai J., Liu G., Hao M., "The research on emotion recognition from ECG signal", Proc. of the IEEE ITCS 2009 International Conference, Vol. 1, pp. 497-500, 2009 

  11. Harter, S., "A new self-report scale of intrinsic versus extrinsic orientation in the classroom: Motivational and informational components", Developmental psychology, Vol. 17, No. 3, pp300-312, 1981. 

  12. Stipek, D., "Motivation to learn: From theory to practice", Allyn and Bacon, 1993. 

  13. Liu, Y., Sourina, O., Nguyen, M. K., "Real-time EEG-based human emotion recognition and visualization", Porc of the IEEE Cyberworlds 2010 International Conference, pp262-269, 2010. 

  14. Khosrowabadi, R., Quek, H. C., Wahab, A., Ang, K. K., "EEG-based emotion recognition using self-organizing map for boundary detection" Proc. of the 20th IEEE ICPR 2010 International Conference, pp4242-4245, 2010. 

  15. Petrantonakis, P. C., Hadjileontiadis, L. J., "EEG-based emotion recognition using hybrid filtering and higher order crossings" Proc. of the 3rd IEEE ACII 2009 International Conference, pp. 1-6, 2009. 

  16. Ekman, P., "Facial expressions." Handbook of cognition and emotion pp226-232, 1999. 

  17. Koelstra, S., Muhl, C., Soleymani, M., Lee, J. S., Yazdani, A., Ebrahimi, T., Patras, I., "Deap: A database for emotion analysis; using physiological signals" IEEE Trans. Affective Computing, Vol. 3, No. 1, pp18-31, 2012. 

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