A multiplex connectivity map of valence-arousal emotional model

high number of studies have already demonstrated an electroencephalography (EEG)-based emotion recognition system with moderate results. Emotions are classified into discrete and dimensional models. We focused on the latter that incorporates valence and arousal dimensions. The mainstream methodology is the extraction of univariate measures derived from EEG activity from various frequencies classifying trials into low/high valence and arousal levels. Here, we evaluated brain connectivity within and between brain frequencies under the multiplexity framework. We analyzed an EEG database called DEAP that contains EEG responses to video stimuli and users’ emotional self-assessments. We adopted a dynamic functional connectivity analysis under the notion of our dominant coupling model (DoCM). DoCM detects the dominant coupling mode per pair of EEG sensors, which can be either within frequencies coupling (intra) or between frequencies coupling (cross-frequency). DoCM revealed an integrated dynamic functional connectivity graph (IDFCG) that keeps both the strength and the preferred dominant coupling mode. We aimed to create a connectomic mapping of valence-arousal map via employing features derive from IDFCG. Our results outperformed previous findings succeeding to predict in a high accuracy participants’ ratings in valence and arousal dimensions based on a flexibility index of dominant coupling modes

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

A Review on EEG Signals Based Emotion Recognition

Emotion recognition has become a very controversial issue in brain-computer interfaces (BCIs). Moreover, numerous studies have been conducted in order to recognize emotions. Also, there are several important definitions and theories about human emotions. In this paper we try to cover important topics related to the field of emotion recognition. We review several studies which are based on analyzing electroencephalogram (EEG) signals as a biological marker in emotion changes. Considering low cost, good time and spatial resolution, EEG has become very common and is widely used in most BCI applications and studies. First, we state some theories and basic definitions related to emotions. Then some important steps of an emotion recognition system like different kinds of biologic measurements (EEG, electrocardiogram [EEG], respiration rate, etc), offline vs online recognition methods, emotion stimulation types and common emotion models are described. Finally, the recent and most important studies are reviewed

Signal Processing Using Non-invasive Physiological Sensors

Non-invasive biomedical sensors for monitoring physiological parameters from the human body for potential future therapies and healthcare solutions. Today, a critical factor in providing a cost-effective healthcare system is improving patients' quality of life and mobility, which can be achieved by developing non-invasive sensor systems, which can then be deployed in point of care, used at home or integrated into wearable devices for long-term data collection. Another factor that plays an integral part in a cost-effective healthcare system is the signal processing of the data recorded with non-invasive biomedical sensors. In this book, we aimed to attract researchers who are interested in the application of signal processing methods to different biomedical signals, such as an electroencephalogram (EEG), electromyogram (EMG), functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), electrocardiogram (ECG), galvanic skin response, pulse oximetry, photoplethysmogram (PPG), etc. We encouraged new signal processing methods or the use of existing signal processing methods for its novel application in physiological signals to help healthcare providers make better decisions

Machine learning-based affect detection within the context of human-horse interaction

This chapter focuses on the use of machine learning techniques within the field of affective computing, and more specifically for the task of emotion recognition within the context of human-horse interaction. Affective computing focuses on the detection and interpretation of human emotion, an application that could significantly benefit quantitative studies in the field of animal assisted therapy. The chapter offers a thorough description, an experimental design, and experimental results on the use of physiological signals, such as electroencephalography (EEG), electrocardiography (ECG), and electromyography (EMG) signals, for the creation and evaluation of machine learning models for the prediction of the emotional state of an individual during interaction with horses

EEG-induced Fear-type Emotion Classification Through Wavelet Packet Decomposition, Wavelet Entropy, and SVM

Among the most significant characteristics of human beings is their ability to feel emotions. In recent years, human-machine interface (HM) research has centered on ways to empower the classification of emotions. Mainly, human-computer interaction (HCI) research concentrates on methods that enable computers to reveal the emotional states of humans. In this research, an emotion detection system based on visual IAPPS pictures through EMOTIV EPOC EEG signals was proposed. We employed EEG signals acquired from channels (AF3, F7, F3, FC5, T7, P7, O1, O2, P8, T8, FC6, F4, F8, AF4) for individuals in a visual induced setting (IAPS fear and neutral aroused pictures). The wavelet packet transform (WPT) combined with the wavelet entropy algorithm was applied to the EEG signals. The entropy values were extracted for every two classes. Finally, these feature matrices were fed into the SVM (Support Vector Machine) type classifier to generate the classification model. Also, we evaluated the proposed algorithm as area under the ROC (Receiver Operating Characteristic) curve, or simply AUC (Area under the curve) was utilized as an alternative single-number measure. Overall classification accuracy was obtained at 91.0%. For classification, the AUC value given for SVM was 0.97. The calculations confirmed that the proposed approaches are successful for the detection of the emotion of fear stimuli via EMOTIV EPOC EEG signals and that the accuracy of the classification is acceptable