Affective Music Information Retrieval

Much of the appeal of music lies in its power to convey emotions/moods and to evoke them in listeners. In consequence, the past decade witnessed a growing interest in modeling emotions from musical signals in the music information retrieval (MIR) community. In this article, we present a novel generative approach to music emotion modeling, with a specific focus on the valence-arousal (VA) dimension model of emotion. The presented generative model, called \emph{acoustic emotion Gaussians} (AEG), better accounts for the subjectivity of emotion perception by the use of probability distributions. Specifically, it learns from the emotion annotations of multiple subjects a Gaussian mixture model in the VA space with prior constraints on the corresponding acoustic features of the training music pieces. Such a computational framework is technically sound, capable of learning in an online fashion, and thus applicable to a variety of applications, including user-independent (general) and user-dependent (personalized) emotion recognition and emotion-based music retrieval. We report evaluations of the aforementioned applications of AEG on a larger-scale emotion-annotated corpora, AMG1608, to demonstrate the effectiveness of AEG and to showcase how evaluations are conducted for research on emotion-based MIR. Directions of future work are also discussed.Comment: 40 pages, 18 figures, 5 tables, author versio

EmoEEG - recognising people's emotions using electroencephalography

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Sinais e Imagens Médicas), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020As emoções desempenham um papel fulcral na vida humana, estando envolvidas numa extensa variedade de processos cognitivos, tais como tomada de decisão, perceção, interações sociais e inteligência. As interfaces cérebro-máquina (ICM) são sistemas que convertem os padrões de atividade cerebral de um utilizador em mensagens ou comandos para uma determinada aplicação. Os usos mais comuns desta tecnologia permitem que pessoas com deficiência motora controlem braços mecânicos, cadeiras de rodas ou escrevam. Contudo, também é possível utilizar tecnologias ICM para gerar output sem qualquer controle voluntário. A identificação de estados emocionais é um exemplo desse tipo de feedback. Por sua vez, esta tecnologia pode ter aplicações clínicas tais como a identificação e monitorização de patologias psicológicas, ou aplicações multimédia que facilitem o acesso a músicas ou filmes de acordo com o seu conteúdo afetivo. O interesse crescente em estabelecer interações emocionais entre máquinas e pessoas, levou à necessidade de encontrar métodos fidedignos de reconhecimento emocional automático. Os autorrelatos podem não ser confiáveis devido à natureza subjetiva das próprias emoções, mas também porque os participantes podem responder de acordo com o que acreditam que os outros responderiam. A fala emocional é uma maneira eficaz de deduzir o estado emocional de uma pessoa, pois muitas características da fala são independentes da semântica ou da cultura. No entanto, a precisão ainda é insuficiente quando comparada com outros métodos, como a análise de expressões faciais ou sinais fisiológicos. Embora o primeiro já tenha sido usado para identificar emoções com sucesso, ele apresenta desvantagens, tais como o fato de muitas expressões faciais serem "forçadas" e o fato de que as leituras só são possíveis quando o rosto do sujeito está dentro de um ângulo muito específico em relação à câmara. Por estes motivos, a recolha de sinais fisiológicos tem sido o método preferencial para o reconhecimento de emoções. O uso do EEG (eletroencefalograma) permite-nos monitorizar as emoções sentidas sob a forma de impulsos elétricos provenientes do cérebro, permitindo assim obter uma ICM para o reconhecimento afetivo. O principal objetivo deste trabalho foi estudar a combinação de diferentes elementos para identificar estados afetivos, estimando valores de valência e ativação usando sinais de EEG. A análise realizada consistiu na criação de vários modelos de regressão para avaliar como diferentes elementos afetam a precisão na estimativa de valência e ativação. Os referidos elementos foram os métodos de aprendizagem automática, o género do indivíduo, o conceito de assimetria cerebral, os canais de elétrodos utilizados, os algoritmos de extração de características e as bandas de frequências analisadas. Com esta análise foi possível criarmos o melhor modelo possível, com a combinação de elementos que maximiza a sua precisão. Para alcançar os nossos objetivos, recorremos a duas bases de dados (AMIGOS e DEAP) contendo sinais de EEG obtidos durante experiências de desencadeamento emocional, juntamente com a autoavaliação realizada pelos respetivos participantes. Nestas experiências, os participantes visionaram excertos de vídeos de conteúdo afetivo, de modo a despoletar emoções sobre eles, e depois classificaram-nas atribuindo o nível de valência e ativação experienciado. Os sinais EEG obtidos foram divididos em epochs de 4s e de seguida procedeu-se à extração de características através de diferentes algoritmos: o primeiro, segundo e terceiro parâmetros de Hjorth; entropia espectral; energia e entropia de wavelets; energia e entropia de FMI (funções de modos empíricos) obtidas através da transformada de Hilbert-Huang. Estes métodos de processamento de sinal foram escolhidos por já terem gerado resultados bons noutros trabalhos relacionados. Todos estes métodos foram aplicados aos sinais EEG dentro das bandas de frequência alfa, beta e gama, que também produziram bons resultados de acordo com trabalhos já efetuados. Após a extração de características dos sinais EEG, procedeu-se à criação de diversos modelos de estimação da valência e ativação usando as autoavaliações dos participantes como “verdade fundamental”. O primeiro conjunto de modelos criados serviu para aferir quais os melhores métodos de aprendizagem automática a utilizar para os testes vindouros. Após escolher os dois melhores, tentámos verificar as diferenças no processamento emocional entre os sexos, realizando a estimativa em homens e mulheres separadamente. O conjunto de modelos criados a seguir visou testar o conceito da assimetria cerebral, que afirma que a valência emocional está relacionada com diferenças na atividade fisiológica entre os dois hemisférios cerebrais. Para este teste específico, foram consideradas a assimetria diferencial e racional segundo pares de elétrodos homólogos. Depois disso, foram criados modelos de estimação de valência e ativação considerando cada um dos elétrodos individualmente. Ou seja, os modelos seriam gerados com todos os métodos de extração de características, mas com os dados obtidos de um elétrodo apenas. Depois foram criados modelos que visassem comparar cada um dos algoritmos de extração de características utilizados. Os modelos gerados nesta fase incluíram os dados obtidos de todos os elétrodos, já que anteriormente se verificou que não haviam elétrodos significativamente melhores que outros. Por fim, procedeu-se à criação dos modelos com a melhor combinação de elementos possível, otimizaram-se os parâmetros dos mesmos, e procurámos também aferir a sua validação. Realizámos também um processo de classificação emocional associando cada par estimado de valores de valência e ativação ao quadrante correspondente no modelo circumplexo de afeto. Este último passo foi necessário para conseguirmos comparar o nosso trabalho com as soluções existentes, pois a grande maioria delas apenas identificam o quadrante emocional, não estimando valores para a valência e ativação. Em suma, os melhores métodos de aprendizagem automática foram RF (random forest) e KNN (k-nearest neighbours), embora a combinação dos melhores métodos de extração de características fosse diferente para os dois. KNN apresentava melhor precisão considerando todos os métodos de extração menos a entropia espectral, enquanto que RF foi mais preciso considerando apenas o primeiro parâmetro de Hjorth e a energia de wavelets. Os valores dos coeficientes de Pearson obtidos para os melhores modelos otimizados ficaram compreendidos entre 0,8 e 0,9 (sendo 1 o valor máximo). Não foram registados melhoramentos nos resultados considerando cada género individualmente, pelo que os modelos finais foram criados usando os dados de todos os participantes. É possível que a diminuição da precisão dos modelos criados para cada género seja resultado da menor quantidade de dados envolvidos no processo de treino. O conceito de assimetria cerebral só foi útil nos modelos criados usando a base de dados DEAP, especialmente para a estimação de valência usando as características extraídas segundo a banda alfa. Em geral, as nossas abordagens mostraram-se a par ou mesmo superiores a outros trabalhos, obtendo-se valores de acurácia de 86.5% para o melhor modelo de classificação gerado com a base de dados AMIGOS e 86.6% usando a base de dados DEAP.Emotion recognition is a field within affective computing that is gaining increasing relevance and strives to predict an emotional state using physiological signals. Understanding how these biological factors are expressed according to one’s emotions can enhance the humancomputer interaction (HCI). This knowledge, can then be used for clinical applications such as the identification and monitoring of psychiatric disorders. It can also be used to provide better access to multimedia content, by assigning affective tags to videos or music. The goal of this work was to create several models for estimating values of valence and arousal, using features extracted from EEG signals. The different models created were meant to compare how various elements affected the accuracy of the model created. These elements were the machine learning techniques, the gender of the individual, the brain asymmetry concept, the electrode channels, the feature extraction methods and the frequency of the brain waves analysed. The final models contained the best combination of these elements and achieved PCC values over 0.80. As a way to compare our work with previous approaches, we also implemented a classification procedure to find the correspondent quadrant in the valence and arousal space according to the circumplex model of affect. The best accuracies achieved were over 86%, which was on par or even superior to some of the works already done

EDMON - Electronic Disease Surveillance and Monitoring Network: A Personalized Health Model-based Digital Infectious Disease Detection Mechanism using Self-Recorded Data from People with Type 1 Diabetes

Through time, we as a society have been tested with infectious disease outbreaks of different magnitude, which often pose major public health challenges. To mitigate the challenges, research endeavors have been focused on early detection mechanisms through identifying potential data sources, mode of data collection and transmission, case and outbreak detection methods. Driven by the ubiquitous nature of smartphones and wearables, the current endeavor is targeted towards individualizing the surveillance effort through a personalized health model, where the case detection is realized by exploiting self-collected physiological data from wearables and smartphones. This dissertation aims to demonstrate the concept of a personalized health model as a case detector for outbreak detection by utilizing self-recorded data from people with type 1 diabetes. The results have shown that infection onset triggers substantial deviations, i.e. prolonged hyperglycemia regardless of higher insulin injections and fewer carbohydrate consumptions. Per the findings, key parameters such as blood glucose level, insulin, carbohydrate, and insulin-to-carbohydrate ratio are found to carry high discriminative power. A personalized health model devised based on a one-class classifier and unsupervised method using selected parameters achieved promising detection performance. Experimental results show the superior performance of the one-class classifier and, models such as one-class support vector machine, k-nearest neighbor and, k-means achieved better performance. Further, the result also revealed the effect of input parameters, data granularity, and sample sizes on model performances. The presented results have practical significance for understanding the effect of infection episodes amongst people with type 1 diabetes, and the potential of a personalized health model in outbreak detection settings. The added benefit of the personalized health model concept introduced in this dissertation lies in its usefulness beyond the surveillance purpose, i.e. to devise decision support tools and learning platforms for the patient to manage infection-induced crises

Face Emotion Recognition Based on Machine Learning: A Review

Computers can now detect, understand, and evaluate emotions thanks to recent developments in machine learning and information fusion. Researchers across various sectors are increasingly intrigued by emotion identification, utilizing facial expressions, words, body language, and posture as means of discerning an individual's emotions. Nevertheless, the effectiveness of the first three methods may be limited, as individuals can consciously or unconsciously suppress their true feelings. This article explores various feature extraction techniques, encompassing the development of machine learning classifiers like k-nearest neighbour, naive Bayesian, support vector machine, and random forest, in accordance with the established standard for emotion recognition. The paper has three primary objectives: firstly, to offer a comprehensive overview of effective computing by outlining essential theoretical concepts; secondly, to describe in detail the state-of-the-art in emotion recognition at the moment; and thirdly, to highlight important findings and conclusions from the literature, with an emphasis on important obstacles and possible future paths, especially in the creation of state-of-the-art machine learning algorithms for the identification of emotions

Big data analytics:Computational intelligence techniques and application areas

Big Data has significant impact in developing functional smart cities and supporting modern societies. In this paper, we investigate the importance of Big Data in modern life and economy, and discuss challenges arising from Big Data utilization. Different computational intelligence techniques have been considered as tools for Big Data analytics. We also explore the powerful combination of Big Data and Computational Intelligence (CI) and identify a number of areas, where novel applications in real world smart city problems can be developed by utilizing these powerful tools and techniques. We present a case study for intelligent transportation in the context of a smart city, and a novel data modelling methodology based on a biologically inspired universal generative modelling approach called Hierarchical Spatial-Temporal State Machine (HSTSM). We further discuss various implications of policy, protection, valuation and commercialization related to Big Data, its applications and deployment

A novel Big Data analytics and intelligent technique to predict driver's intent

Modern age offers a great potential for automatically predicting the driver's intent through the increasing miniaturization of computing technologies, rapid advancements in communication technologies and continuous connectivity of heterogeneous smart objects. Inside the cabin and engine of modern cars, dedicated computer systems need to possess the ability to exploit the wealth of information generated by heterogeneous data sources with different contextual and conceptual representations. Processing and utilizing this diverse and voluminous data, involves many challenges concerning the design of the computational technique used to perform this task. In this paper, we investigate the various data sources available in the car and the surrounding environment, which can be utilized as inputs in order to predict driver's intent and behavior. As part of investigating these potential data sources, we conducted experiments on e-calendars for a large number of employees, and have reviewed a number of available geo referencing systems. Through the results of a statistical analysis and by computing location recognition accuracy results, we explored in detail the potential utilization of calendar location data to detect the driver's intentions. In order to exploit the numerous diverse data inputs available in modern vehicles, we investigate the suitability of different Computational Intelligence (CI) techniques, and propose a novel fuzzy computational modelling methodology. Finally, we outline the impact of applying advanced CI and Big Data analytics techniques in modern vehicles on the driver and society in general, and discuss ethical and legal issues arising from the deployment of intelligent self-learning cars

Robust continuous prediction of human emotions using multiscale dynamic cues

Designing systems able to interact with humans in a natural manner is a complex and far from solved problem. A key aspect of natural interaction is the ability to understand and appropriately respond to human emotions. This paper details our response to the Audio/Visual Emotion Challenge (AVEC’12) whose goal is to continuously predict four affective signals describing human emotions (namely valence, arousal, expectancy and power). The proposed method uses log-magnitude Fourier spectra to extract multiscale dynamic descriptions of signals characterizing global and local face appearance as well as head movements and voice. We perform a kernel regression with very few representative samples selected via a supervised weighted-distance-based clustering, that leads to a high generalization power. For selecting features, we introduce a new correlation-based measure that takes into account a possible delay between the labels and the data and significantly increases robustness. We also propose a particularly fast regressor-level fusion framework to merge systems based on di↵erent modalities. Experiments have proven the e ciency of each key point of the proposed method and we obtain very promising results

The Application of Artificial Intelligence in Project Management Research: A Review

The field of artificial intelligence is currently experiencing relentless growth, with innumerable models emerging in the research and development phases across various fields, including science, finance, and engineering. In this work, the authors review a large number of learning techniques aimed at project management. The analysis is largely focused on hybrid systems, which present computational models of blended learning techniques. At present, these models are at a very early stage and major efforts in terms of development is required within the scientific community. In addition, we provide a classification of all the areas within project management and the learning techniques that are used in each, presenting a brief study of the different artificial intelligence techniques used today and the areas of project management in which agents are being applied. This work should serve as a starting point for researchers who wish to work in the exciting world of artificial intelligence in relation to project leadership and management