从局部脑到全脑:时空域分层神经网络脑电情绪识别模型
作者丨张玮玮
学校丨东北大学硕士生
研究方向丨情绪识别
引言
网络模型
R2G-STNN 方法由三个主要部分组成,如图 1 所示,即特征提取器部分,分类器部分,判别器部分。
特征提取器
空间域特征提取如图 2 所示。为了学习时域特征,表示一个由 T=9 个相邻 EEG 片段组成的一个 EEG 样本,d,n 分别表示每个电极对应的特征数目,和电极数目。
首先,作者将 分为若干组,每个组对应大脑分区的电极,从而在每个脑区形成一组区域特征向量,具体分区如图 3 与表 1 所示。接着,区域特征向量送入 BiLSTM 网络学习区域深度特征,并且引入区域注意层,学习一组权值,以增强或削弱脑区的贡献。最后,加权区域特征向量进一步输入 BiLSTM,学习全脑深度特征。
▲ 表1. 脑区域电极分类表
对于脑分区时域特征的提取,表示第 j 个脑区第 i 个脑电特征,则脑分区的特征表示为。
因此,我们可以将 BiLSTM 应用于特征向量序列间的时间信息学习,得到如下区域时间特征向量:
全脑时域特征提取基于全局特征矩阵,将按列串联成,最终特征向量包含区域和全局信息的脑电图样本 X(由 T 段组成)。
分类器与判别器
在脑电情感识别中,值得注意的是,训练和测试脑电数据样本可能来自不同的领域,例如,训练和测试数据样本来自不同的受试者。在这种情况下,基于训练数据训练的情绪识别模型可能不适用于测试数据。为了解决这一问题,我们引入了一个分类器与判别器协同工作来产生鉴别性强和领域不变的情感特征。
分类器与一般深度学习的相同,损失函数可以表示为:
在判别器部分,假定分别来自源域和目标域,为了消减领域差异,损失函数表示为:
通过最大化识别器的上述损失函数,特征提取过程会产生域不变的特征,从而消减情绪识别中的域差异。
实验设计与结果
被试混淆实验
作者在每个 session 选择 9 个脑电信号的试验用作训练数据集,并使用同一时段的其他 6 项试验作为测试数据,并且计算 15 名受试者的平均识别精度和标准差作为最终识别结果。实验结果如表 2 与表 3 所示。
跨被试实验
跨被试脑电情感识别问题,其中训练的脑电图数据样本和测试的脑电图数据样本来自不同的受试者。为此,作者采用 LOSO 交叉验证策略进行实验,循环取一名受试者的脑电信号作为测试数据,其余所有受试者的脑电图信号作为训练数据。在每个受试者使用一次测试数据后,计算所有识别精度的平均值,实验结果如表 4 与表 5 所示。
结论
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