Continuous Estimation of Emotions in Speech by Dynamic Cooperative Speaker Models

Automatic emotion recognition from speech has been recently focused on the prediction of time-continuous dimensions (e.g., arousal and valence) of spontaneous and realistic expressions of emotion, as found in real-life interactions. However, the automatic prediction of such emotions poses several challenges, such as the subjectivity found in the definition of a gold standard from a pool of raters and the issue of data scarcity in training models. In this work, we introduce a novel emotion recognition system, based on ensemble of single-speaker-regression-models (SSRMs). The estimation of emotion is provided by combining a subset of the initial pool of SSRMs selecting those that are most concordance among them. The proposed approach allows the addition or removal of speakers from the ensemble without the necessity to re-build the entire machine learning system. The simplicity of this aggregation strategy, coupled with the flexibility assured by the modular architecture, and the promising results obtained on the RECOLA database highlight the potential implications of the proposed method in a real-life scenario and in particular in WEB-based applications

Integration of Wavelet and Recurrence Quantification Analysis in Emotion Recognition of Bilinguals

Background: This study offers a robust framework for the classification of autonomic signals into five affective states during the picture viewing. To this end, the following emotion categories studied: five classes of the arousal-valence plane (5C), three classes of arousal (3A), and three categories of valence (3V). For the first time, the linguality information also incorporated into the recognition procedure. Precisely, the main objective of this paper was to present a fundamental approach for evaluating and classifying the emotions of monolingual and bilingual college students.Methods: Utilizing the nonlinear dynamics, the recurrence quantification measures of the wavelet coefficients extracted. To optimize the feature space, different feature selection approaches, including generalized discriminant analysis (GDA), principal component analysis (PCA), kernel PCA, and linear discriminant analysis (LDA), were examined. Finally, considering linguality information, the classification was performed using a probabilistic neural network (PNN).Results: Using LDA and the PNN, the highest recognition rates of 95.51%, 95.7%, and 95.98% were attained for the 5C, 3A, and 3V, respectively. Considering the linguality information, a further improvement of the classification rates accomplished.Conclusion: The proposed methodology can provide a valuable tool for discriminating affective states in practical applications within the area of human-computer interfaces

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

On automatic emotion classification using acoustic features

In this thesis, we describe extensive experiments on the classification of emotions from speech using acoustic features. This area of research has important applications in human computer interaction. We have thoroughly reviewed the current literature and present our results on some of the contemporary emotional speech databases. The principal focus is on creating a large set of acoustic features, descriptive of different emotional states and finding methods for selecting a subset of best performing features by using feature selection methods. In this thesis we have looked at several traditional feature selection methods and propose a novel scheme which employs a preferential Borda voting strategy for ranking features. The comparative results show that our proposed scheme can strike a balance between accurate but computationally intensive wrapper methods and less accurate but computationally less intensive filter methods for feature selection. By using the selected features, several schemes for extending the binary classifiers to multiclass classification are tested. Some of these classifiers form serial combinations of binary classifiers while others use a hierarchical structure to perform this task. We describe a new hierarchical classification scheme, which we call Data-Driven Dimensional Emotion Classification (3DEC), whose decision hierarchy is based on non-metric multidimensional scaling (NMDS) of the data. This method of creating a hierarchical structure for the classification of emotion classes gives significant improvements over other methods tested. The NMDS representation of emotional speech data can be interpreted in terms of the well-known valence-arousal model of emotion. We find that this model does not givea particularly good fit to the data: although the arousal dimension can be identified easily, valence is not well represented in the transformed data. From the recognitionresults on these two dimensions, we conclude that valence and arousal dimensions are not orthogonal to each other. In the last part of this thesis, we deal with the very difficult but important topic of improving the generalisation capabilities of speech emotion recognition (SER) systems over different speakers and recording environments. This topic has been generally overlooked in the current research in this area. First we try the traditional methods used in automatic speech recognition (ASR) systems for improving the generalisation of SER in intra– and inter–database emotion classification. These traditional methods do improve the average accuracy of the emotion classifier. In this thesis, we identify these differences in the training and test data, due to speakers and acoustic environments, as a covariate shift. This shift is minimised by using importance weighting algorithms from the emerging field of transfer learning to guide the learning algorithm towards that training data which gives better representation of testing data. Our results show that importance weighting algorithms can be used to minimise the differences between the training and testing data. We also test the effectiveness of importance weighting algorithms on inter–database and cross-lingual emotion recognition. From these results, we draw conclusions about the universal nature of emotions across different languages

Strength is in numbers: Can concordant artificial listeners improve prediction of emotion from speech?

Humans can communicate their emotions by modulating facial expressions or the tone of their voice. Albeit numerous applications exist that enable machines to read facial emotions and recognize the content of verbal messages, methods for speech emotion recognition are still in their infancy. Yet, fast and reliable applications for emotion recognition are the obvious advancement of present 'intelligent personal assistants', and may have countless applications in diagnostics, rehabilitation and research. Taking inspiration from the dynamics of human group decision-making, we devised a novel speech emotion recognition system that applies, for the first time, a semi-supervised prediction model based on consensus. Three tests were carried out to compare this algorithm with traditional approaches. Labeling performances relative to a public database of spontaneous speeches are reported. The novel system appears to be fast, robust and less computationally demanding than traditional methods, allowing for easier implementation in portable voice-analyzers (as used in rehabilitation, research, industry, etc.) and for applications in the research domain (such as real-time pairing of stimuli to participants' emotional state, selective/differential data collection based on emotional content, etc.)