Analýza emocí při čtení mapy a řešení prostorových úloh

Cíle

Cílem práce je využití zařízení EEG Emotiv EPOC propojeného s eye-trackerem SMI RED 250 při kartografickém experimentu. Výsledkem experimentu se v případě předkládané diplomové práce rozumí zejména metodika přípravy a realizace experimentu včetně použitého hardwaru a softwaru, přičemž není kladen důraz na samotné kvalitativní či kvantitativní hodnoty vycházející z experimentu. Dalšími cíly práce jsou zhodnocení věrohodnosti dat, jež jsou produkovány zařízením EEG Emotiv EPOC a následné navrhnutí možností analýzy těchto dat. Pro naplnění hlavního cílu práce byly rozpracovány dílčí, postupné cíle. V první řadě se jedná o nastudování problematiky diplomové práce z důvodu korektního užívání terminologie a všeobecného pochopení tématu týkajícího se EEG (elektroencefalografie), E-T (eye trackingu) a konceptu emocí. Součástí tohoto cílu byl i výběr softwaru vhodného pro naplnění cílů práce a výběr metody pro zobrazení výsledných dat. Druhým dílčím cílem se stala příprava a realizace eye-tracking a EEG experimentu s vybranými obrázky pocházejícími z IAPS (International Affective Picture System) databáze. Výstupem z tohoto experimentu byla verifikace zařízení EEG Emotiv EPOC a také ověření navrhované metodiky pro určování emocí z EEG. Závěrečným cílem práce se pak stala příprava a realizace kartografického eye tracking a EEG experimentu, při kterém testované subjekty plnily jednoduché prostorové úkoly. Výsledky práce umožní používání zařízení EEG Emotiv EPOC pro další potřeby katedry geoinformatiky. Práce navrhuje a ustanovuje základní metodiku získání a zpracování EEG dat při kombinovaných eye tracking experimentech.

Metody

Výsledky

Závěr

Motivací, proč zpracovat práci s tímto tématem, se stala přítomnost elektroencefalografu Emotiv EPOC+ na katedře geoinformatiky. Hlavním cílem práce bylo použití zařízení Emotiv EPOC+ společně s eye-trackerem SMI RED 250 při kombinovaném eye-tracking a EEG experimentu. Dílčími cíli, nezbytnými pro dosažení hlavního cíle, se staly nastudování problematiky v oblasti elektroencefalografie, emocí a zpracování signálu, navrhnutí metodiky získání a zpracování EEG dat za účelem klasifikace emocí, popis hodnot emocí a primárních dat vycházejících z přístroje Emotiv EPOC+ a provedení dvou experimentů. První experiment měl za cíl ověřit navrženou metodiku a za pomoci stimulů z databáze IAPS ověřit validitu dat vycházejících z přístroje Emotiv EPOC+. Druhý experiment měl za cíl zjistit působení lidských emocí při práci s kartografickým produktem či při řešení prostorových úloh. Navržená metodika zpracování EEG signálu za účelem získání emocí se skládá ze čtyř částí. První částí je samotné měření dat. Druhá část se zabývá předzpracováním dat. Tato část výhradně probíhala ve specializovaném toolboxu EEGLAB, který, jak již název napovídá, slouží pro analýzu a vizualizaci EEG dat. Předzpracování dat sestává z postupných kroků jako je odstranění artefaktů, analýza nezávislých komponent, odstranění kolísání nulové izolinie signálu a filtrace dat do vlnových pásem. Třetí částí navržené metodiky je extrakce charakteristických rysů signálů. Jejím smyslem je získání hodnoty, která je charakteristická pro daný signál. Tím se v práci stala průměrná hodnota výkonového spektra signálu, jež byla získána za pomocí Fourierovy transformace. Poslední částí metodiky pak byla klasifikace dat, s čímž je spojeno i trénování dat. Pro klasifikaci dat byly vybrány klasifikátory typu SVM (Support Vector Machine), které se mj. nacházejí v aplikaci softwaru Matlab, která nese název Classification Learner a která byla pro klasifikaci dat použita. Po sestavení metodiky proběhl kombinovaný eye-tracking a EEG experiment, jehož se zúčastnilo 15 osob. Experiment se skládal ze dvou částí. Při první části byly účastníkům promítány vizuální stimuly z databáze IAPS a stimuly, které obsahovaly mapy, přičemž bylo účastníkům snímáno EEG. Data z EEG poté byla zpracována navrženou metodikou. Výsledkem této části experimentu se stal klasifikační model, který má přesnost pouhých 19,7 %. Při druhé části experimentu účastníci sebehodnotili pomocí dotazníku SAM (The Self-Assessment Manikin), jak na ně stimuly působily. Přesnost odpovědí tohoto dotaníku dosáhla hodnoty 85,78 %. Z těchto hodnot je patrné, že vhodnějším způsobem pro hodnocení emocí se jeví dotazník SAM. Druhý experiment, při kterém mělo být měřeno EEG účastníků při řešení prostorových úloh se neuskutečnilo z důvodu nízké úspěšnosti klasifikačního modelu z prvního experimentu. Z prvního experimentu totiž měla pocházet trénovací data, která by při druhém experimentu nebyla získána. Kvůli nízké úspěšnosti klasifikace provedení druhého experimentu pozbylo smysl. Výsledky této práce poslouží zejména potřebám katedry geoinformatiky, neboť práce ustanovuje metodiku, jak měřit a zpracovat naměřená EEG data. Taková metodika do této doby na katedře nebyla. V budoucnu je možné na práci navázat a testovat odlišné přístupy v extrakci charakteristických rysů a zejména v možnostech klasifikace. Kromě studia emocí je také možné se zaměřit na studium kognitivní zátěže.

Summary

Main aim of this theses is to come with workflow describing how to analyze EEG data in a way that it is possible to gain information of emotions from them. In the thesis there is very thorough description of EEG headset Emotiv EPOC+ which was used for EEG data measurements. Also there is description of possibilities of preprocessing the data in EEGlab toolbox, than adjustments of data into their final form which is suitable for final step which is classification in Matlab software. Designed workflow was than applied on combined eye-tracking and EEG experiment. For the experiment there was used a set of pictures from IAPS database (International Affective Picture System). These pictures featured in the experiment as referential data because on data from these pictures was trained an ability to succesfully classify emotions from EEG data. Next to IAPS pictures, there was also pictures containig maps in the experiment. On the pictures with maps, the main goal was to find out if person who is looking at them is experiencing any emotion. Second part of the experiment was the SAM questionary (The Self-Assessment Manikin). In this questionary participants of the experiment self-evaluated how the pictures had effected them. Output of the thesis is detailed description of the workflow and comparision of both parts of the experiment and their results. Part of the thesis is also a manual with description of every steps during the EEG data analyze.

Kontakt