專利名稱：用于測量用戶的喚醒的計算機(jī)程序產(chǎn)品、設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于處理GSR (皮膚電反應(yīng))信號的計算機(jī)程序， 當(dāng)其在計算機(jī)上運(yùn)行時控制該計算機(jī)以估計喚醒(arousal)水平。
本發(fā)明還涉及一種喚醒測量設(shè)備，其設(shè)有用于記錄來自用戶的GSR 信號的GSR (皮膚電反應(yīng))傳感器。
而且，本發(fā)明涉及一種用于估計喚醒水平的方法。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域，嘗試自動測量用戶的情緒狀態(tài)的應(yīng)用是已知的。這可能 例如有利于改進(jìn)人機(jī)交互。這樣的產(chǎn)品的實例是"Wild Divine，，公司的 "Journey to wild divine" ( www, wilddivine.com )和HeartMath 7>司的 "Freeze-framer "。這兩個產(chǎn)品測量用戶的放松狀態(tài)。
存在不同的方法來以自動化的方式測量特定情緒。例如，已知喚醒 /興奮/放松(放松與喚醒/興奮相反)的變化影響ANS (自主神經(jīng)系統(tǒng))， 這又改變了主體的生理/情緒狀態(tài)。這可以通過各種生理參數(shù)表達(dá)，比如 心率、血壓、呼吸率和GSR (皮膚電反應(yīng))。測量技術(shù)包括測量肌肉的 張力、記錄心率的(不)規(guī)律性、以及測量皮膚的傳導(dǎo)性。后者也被稱 為GSR (皮膚電反應(yīng))或SCR (皮膚傳導(dǎo)反應(yīng))。
GSR (或SCR)信號是可以由測量皮膚的電阻的GSR傳感器從皮 膚中獲得的連續(xù)信號。在已知的使用GSR的方法中，GSR信號在一定 的時間周期上被平均化，從而使得噪聲減少并且獲得對該時間周期上喚 醒的相對水平的估計。另一種方法檢測一定的時間周期內(nèi)記錄的GSR 信號中的峰值。這些方法的缺點在于，它們預(yù)先需要不方便的 (inconvenient)校準(zhǔn)周期以獲得用作參考值的基線測量。只有在獲得基 線測量之后，才能測量喚醒水平的估計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是能夠以方便的方法估計人的喚醒水平。 在第一方面，所述目的和/或其他目的可以通過用于處理GSR(皮膚電反應(yīng))信號的計算機(jī)程序產(chǎn)品單獨(dú)地或以組合方式實現(xiàn)，其中當(dāng)該 計算機(jī)程序產(chǎn)品在計算機(jī)上運(yùn)行時其控制該計算機(jī)以估計用戶的喚醒
水平或至少估計喚醒水平的變化，該計算機(jī)程序產(chǎn)品設(shè)有這樣的算法 其被配置為控制計算機(jī)以計算記錄的GSR信號的三階或更高階的中心 矩并且從所述三階或更高階中心矩獲得喚醒水平的估計。
已經(jīng)從實驗中發(fā)現(xiàn)，通過使用所計算的記錄的GSR信號的三階或 更高階矩(moment),可以獲得對主體的喚醒水平的合理判斷，或者至 少獲得對主體的喚醒水平的變化的合理判斷。這些三階或更高階矩是更 高階的統(tǒng)計學(xué)公式，并且可以從GSR信號獲得，而這些計算可以在無 需基線測量的情況下進(jìn)行，即無需校準(zhǔn)周期。這允許喚醒測量產(chǎn)品的即 時使用，這對用戶來說是方便的。而且，在GSR (皮膚電反應(yīng))信號被 記錄之后/同時，可以使得快的自動化形式的反饋成為可能。例如，用戶 可以接收被調(diào)整到用戶喚醒/放松狀態(tài)的直接反饋。
在一個實施例中，在一定的時間周期上實時計算偏度(關(guān)于均值的 三階矩)或峰度(關(guān)于均值的四階矩)，從而實時提供關(guān)于用戶喚醒水 平的反饋。原則上，對于喚醒水平的估計，不需要與先前測量的基線測 量或參考值進(jìn)行比較，從而避免了校準(zhǔn)。而且，不需要預(yù)先配置特定用 戶的個體特征。
這些和其他特征使得根據(jù)本發(fā)明的計算機(jī)程序產(chǎn)品、設(shè)備和/或方法 變得不那么令人討厭并且適合于針對人類和動物的應(yīng)用。
該計算機(jī)程序可以在計算機(jī)上運(yùn)行，其中該計算機(jī)可以包括任何計 算機(jī)、處理電路或?qū)Ｓ迷O(shè)備(比如喚醒測量設(shè)備)或者被并入該設(shè)備。 通過使用本發(fā)明，例如娛樂應(yīng)用之類的各種應(yīng)用可以以更令人愉快的方 式或至少以適合個人的方式來向用戶提供反饋和/或響應(yīng)。而且，GSR 傳感器可以以相對令人歡迎的方式記錄GSR信號。
在第二方面，所迷目的和/或其他目的可以通過喚醒測量設(shè)備單獨(dú)地 或以組合方式實現(xiàn)，該喚醒測量設(shè)備設(shè)有用于記錄來自用戶的GSR信 號的GSR (皮膚電反應(yīng))傳感器、用于處理所記錄的GSR信號的處理 電路、以及用于存儲所記錄的和/或經(jīng)處理的GSR信號和算法的存儲器 裝置，其中該算法^L配置為控制該喚醒測量設(shè)備以計算記錄的GSR信 號的三階或更高階中心矩并且從所述三階或更高階中心矩獲得喚醒水 平的估計或至少獲得喚醒水平的變化的估計。在第三方面，所述目的和/或其他目的可以通過用于估計用戶的喚醒 水平、至少估計用戶喚醒水平的變化的方法單獨(dú)地或以組合方式實現(xiàn)，
其中從GSR傳感器接收GSR信號，其中計算GSR信號的三階或更高階 中心矩，其中所述三階或更高階中心矩用于獲得喚醒水平的估計或至少 獲得喚醒水平的變化的估計。


為了清楚地說明本發(fā)明，將參照附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實施例。 在附圖中
圖1示出示意性說明的根據(jù)本發(fā)明的喚醒測量設(shè)備；
圖2示出說明GSR信號偏度隨時間變化的曲線圖3示出說明GSR信號峰度隨時間變化的曲線圖。
在該描述中，相同或?qū)?yīng)的部件具有相同或?qū)?yīng)的附圖標(biāo)記。所示
的示范性實施例不應(yīng)當(dāng)以任何方式被解釋為是限制性的，而應(yīng)當(dāng)解釋為
僅僅起到說明的作用。
具體實施例方式
圖1示出喚醒測量設(shè)備1,其設(shè)有用于記錄來自用戶的皮膚3的GSR 信號的GSR (皮膚電反應(yīng))傳感器2。在該實施例中，僅僅通過實例示 出手指上的傳感器2。GSR傳感器2原則上可以被置于身體的任何地方， 但是優(yōu)選地被置于從中可以獲得可靠的GSR測量的便利的位置上。GSR 傳感器2將GSR信號發(fā)送到用于處理這些所記錄的SGR信號的處理電 路4和用于存儲這些記錄的和/或處理的GSR信號的存儲裝置5。存儲 裝置5還存儲具有算法的計算機(jī)程序產(chǎn)品，該算法被配置為控制喚醒測 量設(shè)備1或至少控制其處理電路4以處理GSR信號。在一個實施例中， 提供人可感知接口 6,其可以例如是以某種方式根據(jù)測量的喚醒狀態(tài)提 供反饋的顯示器。電源(圖中未示出)向電子元件供電。
所述計算機(jī)程序產(chǎn)品或至少所述算法可以運(yùn)行設(shè)備1或任何計算 機(jī)，以使用三階或更高階中心矩根據(jù)記錄的GSR信號進(jìn)行計算。從該 統(tǒng)計計算的結(jié)果中可以獲得喚醒水平的估計，如隨后將被解釋的。
根據(jù)本發(fā)明的算法被配置為使用概率論和統(tǒng)計學(xué)中已知的公 ，這 些公式的特征在本文中被描述為"三階或更高階中心矩"。與此相關(guān)，"歸一化的三階或更高階中心矩，，可以涉及額外的計算步驟并且是無量綱 的。這些應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為也包括在"三階或更高階中心矩"中。其他表征應(yīng)當(dāng) 被認(rèn)為包括在該算法中，比如"關(guān)于均值的(歸一化)更高階矩"、"(歸 一化)三階或更高階測量"和"(歸一化)三階或更高階累積量"等等。有 時在本文中，當(dāng)提到"更高階矩"時，表示"三階或更高階矩"并且還應(yīng)當(dāng) 被理解為包括在該算法中。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到相似的表征。
三階和四階中心矩分別用于定義偏度和峰度。特別地，歸一化三階 中心矩和歸 一化四階中心矩分別被稱為偏度和峰度，并且是無量綱量。 而且更高階矩可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)使用。
所述偏度表征在其均值周圍的分布的不對稱程度，并且表征該分布 的形狀。峰度度量分布相對于正態(tài)分布的相對"峰度"或平坦性。偏度和
峰度通常被分別定義為
偏度[X一XnXl/N"Z((Xj卞y(T)3，和
峰度[Xl,." xn] = (1/N * ￡ ((Xj卞)/(J)4) - 3,
其中『[X!,...,Xn]的平均- (，)SXJ'且
方差=d2=[Xl，... ,xn]的標(biāo)準(zhǔn)差2=1/N * ￡ ^卞)2。
從所實施的實驗中可以看出較低的測量的偏度值指示喚醒提高而 較高的峰度值也指示喚醒提高。另一方面，高偏度和低峰度涉及喚醒的
降低，即放松提高。因此，從測量的GSR信號的偏度和峰度，可以獲
得用戶的相對喚醒狀態(tài)。從該實驗中可以發(fā)現(xiàn)對于通過計算偏度和峰度 來測量喚醒，在實驗之前或期間不需要校準(zhǔn)。測量的偏度和/或峰度結(jié)果 可以相對直接地纟支解釋。
與喚醒直接相關(guān)的概念可以例如是神經(jīng)過敏、興奮、緊張、憤怒等 等。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到類似的情緒。例如，喚醒的相反可以被描 述為放松。而且對于"放松"，技術(shù)人員將理解其同義詞或相同的情緒可 以在本發(fā)明的范圍內(nèi)被測量。
可以在其中測試22個主體的實驗中測量偏度和峰度。圖2和3分 別示出偏度和峰度的平均分(score),在兩個120秒的電影片段顯示期 間針對該實驗計算所述平均分。對這兩個圖，水平軸9涉及測量時間， 其#1劃分為12個10秒的剪輯(excerpt)。圖2和3的豎直軸10分別 對應(yīng)于所計算的偏度值和峰度值。在這兩個圖中，虛線7對應(yīng)于被稱為 "最后的目的地"(2000,新線電影院)的影片的片段，在該片段中，在大約第60秒公共汽車出乎意料地撞到一個學(xué)生。該"令人驚恐的意外" 可以從虛線7獲得。對于偏度，在圖2中，虛線7示出在點11處在大 約第60秒處的相對較低的偏度分。對于圖3，在大約60秒處在點12處 存在相對較高的峰度分，更確切地最高分處于50秒處。這兩個點11、 12在大約例如50-70秒之間，指示符合所述"令人驚恐的意外"的喚醒的 高水平。因此相對較高的喚醒狀態(tài)可以從GSR信號的(歸一化)更高 階中心矩獲得，至少對于偏度和峰度而言是這樣。
在圖2和3中，連續(xù)線8對應(yīng)于來自"獅子王"(1994年，Walt Disney) 的電影片段，其中主要電影人物之一釋放了他父親。該片段從相對增加 的緊張水平開始并且以相對穩(wěn)定的緊張水平持續(xù)。該增加的和隨后穩(wěn)定 的緊張也可以從兩個圖中的連續(xù)線8獲得，在相對較高的緊張度開始， 即其中偏度較低(圖2)而峰度較高(圖3)并且以相對穩(wěn)定的過程持 續(xù)。
對于上述實驗，以10秒的時間間隔測量GSR偏度和峰度。這些時 間間隔也可以更短或更長。例如也可以^f吏用2.5秒或60秒的時間間隔。 時間間隔的選擇可以依賴于應(yīng)用。例如，對于博采業(yè)可以使用相對較短 的時間間隔，而例如對于瑜伽(Yoga),可以針對相對較長的周期測量 喚醒狀態(tài)。不用說，這些實例不應(yīng)當(dāng)被理解為限制本發(fā)明。
在實施例中，所述算法被配置為控制計算機(jī)以當(dāng)計算的偏度低于閾 值13 (大約-0.5)(參見圖2)時傳輸通知喚醒水平增加的信號。該閾 值13已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)符合用戶的喚醒的或多或少提升的水平，至少符合喚 醒水平的相對較高的增加。然而，其他值也可以適于用作閾值13,例如 -0.3或-0.7。閾值13的選擇可以例如取決于應(yīng)用。在另一個實施例中， 使用多個閾值13,從而指示不同的喚醒水平，例如0.3、 0.5和0.7。根 據(jù)相同的原理，所述算法可以被配置為控制計算機(jī)以當(dāng)計算的峰度高于 大約0.5的閾值14 (參見圖3)時指示喚醒水平的提升水平和/或增加， 盡管更低或更高的閾值14也是適合的，比如0.3或0.7。而且在這里， 可以應(yīng)用多個閾值14。
當(dāng)喚醒的變化(即增加或減少)超過閾值13、 14時，所述算法被 配置為使處理器發(fā)信號通知可感知接口 6向用戶提供感覺輸出。例如， 用戶可感知接口 6可以包括顯示器和/或揚(yáng)聲器系統(tǒng)，從而以一見覺方式和 /或通過聲音發(fā)信號通知用戶他的或她的喚醒狀態(tài)相對較高或較低，即已經(jīng)超過閾值13、 14。用戶可感知接口 6也可以被配置為以幾乎不可察覺 的方式響應(yīng)于測量的狀態(tài)，例如從而使得用戶幾乎不會注意到提供了反 饋。在實例中，包括游戲站(gaming station)并且被配置為實時響應(yīng)接 收到的喚醒狀態(tài)。例如，通過本發(fā)明，也可以實時地發(fā)信號通知喚醒狀 態(tài)，從而使得游戲站或本發(fā)明的任何其他實施例將對用戶的當(dāng)前狀態(tài)做 出反應(yīng)或至少有不超過數(shù)秒鐘的延遲。該延遲可以僅僅是一秒的幾分之 一、幾秒、或者任何有益的時間卓殳，和/或可以例如取決于什么時間間隔 被用于計算三階或更高階中心矩或歸一化的三階或更高階中心矩。本發(fā) 明的實施例可以例如連接到和/或嵌入各種應(yīng)用中，比如放松產(chǎn)品、娛樂 業(yè)、博彩業(yè)、操作者的最佳表現(xiàn)、生物反饋治療、產(chǎn)品評價、體育、仿 真等等。
一般地，根據(jù)本發(fā)明的自動化喚醒測量方法可以例如在這樣的領(lǐng)域 是有用的其中某個系統(tǒng)想要知道用戶的情緒狀態(tài)，以及其中以自動化 的方式使反饋和運(yùn)行適應(yīng)所迷情緒狀態(tài)是有利的，例如使得用戶的情緒 狀態(tài)可以以反應(yīng)的方式受到影響，或者例如可以由醫(yī)生(比如牙醫(yī)或外 科醫(yī)生等)讀取。該適配的反饋和/或運(yùn)行可以例如以這樣的方式進(jìn)行 其對于用戶來說相對受歡迎或者不那么容易^l察覺到。
本發(fā)明的 一個實施例是一種游戲，如果用戶的對手進(jìn)入緊張或喚醒 狀態(tài)則給出附加點，其中緊張/或喚醒水平被實時測量。而且，可以根據(jù) 喚醒測量來調(diào)整工廠操作工的工作量，從而這些操作工可以更加優(yōu)化地 發(fā)揮作用。例如在產(chǎn)品評價中，可以讀取與樣品的使用相關(guān)的緊張水平， 例如使得可以根據(jù)該測量改進(jìn)該產(chǎn)品。顯然，多個相似的和其他應(yīng)用在 本發(fā)明的范圍內(nèi)可以是適合的。
如果本發(fā)明的實施例與能夠測量用戶的精神生理狀態(tài)的其他精神 生理傳感器相結(jié)合，則可以升級結(jié)果的可靠性。例如，與例如用于測量 心搏和/或心率變異性的心搏傳感器、肌肉張力傳感器等等結(jié)合，可以升 級GSR測量的結(jié)果。而且，為了相同的目標(biāo)可以計算多個更高階的中 心矩，例如偏度和峰度。可以組合這些測量，使得一個測量可以證實或 反駁其他測量，并且可以獲得更加可靠的結(jié)果。例如對于特定測量，峰 度和偏度應(yīng)當(dāng)超過特定閾值以便以 一 定的方式發(fā)信號通知給用戶。
顯然，本發(fā)明不以任何方式受限于說明書和附圖中描述的實施例。 在由權(quán)利要求概括的本發(fā)明的框架內(nèi)，許多改變和修改是可能的。實施例的 一 個或多個方面的組合或不同實施例的組合在本發(fā)明的框架內(nèi)是 可能的。所有相當(dāng)?shù)母淖儽焕斫鉃槁淙胗蓹?quán)利要求概括的本發(fā)明的框架 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于處理GSR(皮膚電反應(yīng))信號的計算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)其在計算機(jī)上運(yùn)行時控制該計算機(jī)以估計用戶的喚醒水平或至少估計用戶的喚醒水平的變化，該計算機(jī)程序產(chǎn)品設(shè)有這樣的算法其被配置為控制計算機(jī)以計算記錄的GSR信號的三階或更高階中心矩并且從所述三階或更高階中心矩獲得喚醒水平的估計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述三階或更高階矩包 括偏度和/或峰度，并且其中該算法被配置為控制所述計算機(jī)以當(dāng)計算出 相對較低的偏度和/或相對較高的峰度時獲得喚醒水平的增加，和/或當(dāng) 計算出相對較高的偏度和/或相對較低的峰度時獲得喚醒水平的降低。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述算法被配置為 控制所述計算機(jī)以當(dāng)所述喚醒水平的變化和/或喚醒水平超過一定的閾 值時發(fā)信號通知給用戶可感知接口 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述算法被配置為控制 所述計算才幾以近似實時地發(fā)信號通知給所述用戶可感知接口 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述算法被 配置為控制所述計算機(jī)以當(dāng)所計算的偏度低于設(shè)定的例如約為-0.3 、優(yōu) 選地約為-0.5的閾值時發(fā)信號通知喚醒水平的增加。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項的計算機(jī)程序產(chǎn)品，其中所述算法被 配置為控制所述計算機(jī)以當(dāng)所計算的峰度高于設(shè)定的例如約為0.3、優(yōu) 選地約為0.5的閾值時指示喚醒水平的增加。
7. 用于處理所記錄的GSR信號以估計用戶的喚醒水平或至少估計 喚醒水平的變化的喚醒測量i殳備，該喚醒測量i殳備i殳有用于記錄來自用 戶身體的GSR信號的GSR傳感器、用于處理所記錄的GSR信號的處理 電路、以及用于存儲所記錄的和/或經(jīng)處理的GSR信號以及計算機(jī)程序 產(chǎn)品的存儲器裝置，所述計算機(jī)程序產(chǎn)品是根據(jù)任何權(quán)利要求中任一項 的計算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)其運(yùn)行在喚醒測量設(shè)備上時控制該設(shè)備以估計喚 醒水平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的喚醒測量設(shè)備，其設(shè)有用于向用戶提供感覺輸 出的用戶可感知接口 。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8的喚醒測量設(shè)備，其與配置為用于估計用戶 情緒狀態(tài)的其他精神生理測量設(shè)備相結(jié)合。
10. 喚醒測量設(shè)備，其設(shè)有用于記錄來自用戶的GSR信號的GSR(皮 膚電反應(yīng))傳感器、用于處理所記錄的GSR信號的處理電路、以及用 于存儲所記錄的和/或經(jīng)處理的GSR信號以及算法的存儲器裝置，其中 該算法被配置為控制該喚醒測量設(shè)備以計算所記錄的GSR信號的三階 或更高階中心矩并且從所述三階或更高階中心矩獲得喚醒水平的估計 或至少獲得喚醒水平的變化的估計。
11. 用于估計用戶的喚醒水平或至少估計用戶的喚醒水平的變化的 方法，其中從GSR傳感器接收GSR信號，其中計算GSR信號的三階或 更高階中心矩，其中所述三階或更高階中心矩用于獲得喚醒水平的估計 或至少獲得喚醒水平的變化的估計。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述三階或更高階矩包括偏度和/ 或峰度，并且當(dāng)計算出相對較低的偏度和/或相對較高的峰度時，獲得喚 醒水平的增加，而當(dāng)計算出相對較高的偏度和/或相對較低的峰度時，獲 得喚醒水平的降低。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中至少當(dāng)喚醒水平的變化超過一定的閾值時，該變化至少近似實時地被發(fā)信號通知給用戶可感知接 p 。
14.根據(jù)權(quán)利要求n-i3中任一項的方法，其中當(dāng)所計算的偏度低于設(shè)定的例如約為-0.3、優(yōu)選地約為-0.5的閾值時發(fā)信號通知所述喚醒水 平的增力口。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-14中任一項的方法，其中當(dāng)所計算的峰度高 于設(shè)定的例如約為0.3、優(yōu)選地約為0.5的閾值時發(fā)信號通知所述喚醒水 平的J曾力口。
全文摘要
用于處理GSR(皮膚電反應(yīng))信號的計算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)其在計算機(jī)上運(yùn)行時控制該計算機(jī)以估計用戶的喚醒水平或至少估計喚醒水平的變化，該計算機(jī)程序產(chǎn)品設(shè)有這樣的算法其被配置為控制計算機(jī)以計算記錄的GSR信號的三階或更高階的中心矩并且從所述三階或更高階中心矩獲得喚醒水平的估計。
文檔編號A61B5/16GK101610716SQ200880004876
公開日2009年12月23日 申請日期2008年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者C·圖南布賴杰, E·L·范登布羅克, J·H·D·M·韋斯特林克, M·H·舒特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司