基于生理信号和多元统计的白芽奇兰茶口感评价.pdf
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1、基金项目:福建省网络安全与密码技术重点实验室(福建师范大学)开放课题(编号:N S C L K F );福建省教育科学“十四五”规划课题(编号:F J J K B K );福建省本 科 高 校 教 育 教 学 改 革 研 究 项 目(编 号:F B J G )作者简介:杨伯垲(),男,闽南师范大学副教授,硕士.E m a i l:t o p k u v i p q q c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()基于生理信号和多元统计的白芽奇兰茶口感评价T a s t ee v a l u a t i o no fC h i n e s eo o l o n
2、g t e a“B a i y a q i l a n”b a s e do np h y s i o l o g i c a l s i g n a l sa n dm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c s杨伯垲Y ANGB o k a i申丽娟SHENL i j u a n杨敬民,Y ANGJ i n g m i n,(闽南师范大学艺术学院,福建 漳州 ;闽南师范大学计算机学院,福建 漳州 ;福建师范大学福建省网络安全与密码技术重点实验室,福建 福州 )(S c h o o l o fA r t s,M i n n a nN o r m a lU
3、 n i v e r s i t y,Z h a n g z h o u,F u j i a n ,C h i n a;S c h o o l o fC o mp u t e rS c i e n c e,M i n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,Z h a n g z h o u,F u j i a n ,C h i n a;F u j i a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fN e t w o r kS e c u r i t ya n dC r y p t o l o g y,F u
4、j i a nN o r m a lU n i v e r s i t y,F u z h o u,F u j i a n ,C h i n a)摘要:目的:调查年轻人对白芽奇兰茶的口感偏好,针对性 地 对 茶 饮 料 进 行 设 计.方 法:设 计 以 脑 电 波(E l e c t r o e n c e p h a l o g r a m,E E G)、皮 电 活 动(E l e c t r o d e r m a la c t i v i t y,E D A)、心率变异性(H e a r t r a t ev a r i a b i l i t y,HR V)多元统计分析和感官评价相结
5、合的方法,让 名受试者(其中男女各 人)对个批次的不同克数和冲泡时长的白芽奇兰茶进行口感偏好评价.结果:E E G的功率谱密度、HR V和E D A的均值能够对受试者的口感偏好进行较准确的预测,均值和喜欢程度呈负相关关系.双因素方差分析表明,HR V和E D A不受被试者男女性别差异和被试 茶样 本 的 影 响.结 论:大 部 分 受 试 者 最 喜 欢 g白芽奇兰冲泡 s的口感.关键词:白 芽奇 兰茶;口感;皮电 活动;脑电 波;心 率 变异性A b s t r a c t:O b j e c t i v e:I n v e s t i g a t ey o u n gp e o p l e
6、 st a s t ep r e f e r e n c ef o r w h i t e b u d k i r a n t e a a n d d e s i g n t e a d r i n k s a c c o r d i n g l y M e t h o d s:D e s i g nac o m b i n a t i o no f e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m(E E G),e l e c t r o d e r m a la c t i v i t y(E D A),h e a r tr a t ev a r i a b
7、i l i t y(HR V)m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n ds e n s o r ye v a l u a t i o n t oa l l o w s u b j e c t s(o fe a c hg e n d e r)t oe v a l u a t et h et a s t ep r e f e r e n c eo fs e v e nb a t c h e so f w h i t eb u d k i r a nt e ao fd i f f e r e n tg r a
8、m sa n db r e w i n gl e n g t h s R e s u l t s:t h e m e a n v a l u e so fp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y,HR Va n dE D Ao fE E Gc a np r e d i c t t h et a s t ep r e f e r e n c eo ft h e s u b j e c t s m o r e a c c u r a t e l y,a n d t h e m e a n v a l u e s a r en e g a t i v e l yc
9、o r r e l a t e dw i t ht h e l i k i n g l e v e l At w o w a ya n a l y s i so fv a r i a n c es h o w st h a tHR Va n dE D Aa r en o ta f f e c t e db yg e n d e rd i f f e r e n c e s b e t w e e n s u b j e c t s a n d t h e s u b j e c t t e a s a m p l e C o n c l u s i o n:M o s to f t h es
10、u b j e c t sp r e f e r r e dt h et a s t eo f g r a m so fw h i t eb u dk i r a nt e ab r e w e df o r s e c o n d s K e y w o r d s:w h i t eb u d k i r a nt e a;t a s t e;e l e c t r o d e r m a la c t i v i t y;e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m;h e a r t r a t ev a r i a b i l i t y白芽奇兰属于
11、乌龙茶类,产于福建省漳州市平和县.该茶外形紧结,匀整美观,内质香气清高爽悦,似兰香幽长,汤色橙黄明亮滋味醇爽.探索年轻人对白芽奇兰茶的口感偏好评价,对白芽奇兰茶饮料的设计有重要的意义.中国茶叶感官评价的历史悠久.一般而言,主要通过视觉、味觉、嗅觉和触觉个手段对茶叶的色香味形进行综合评鉴.与之对应,国家也颁布了一系列文字标准和实 物标 准 样,比如 地理 标 志产 品龙 井 茶(G B/T ),茶 叶 感 官 审 评 室 基 本 条 件(G B/T )和 茶 叶 感 官 审 评 方 法(G B/T ).但是,正如文献 指出的,目前中国的茶事活动中,人的感官体验起着非常重要的作用,但是跨感官的相互
12、交叉影响是感官世界中较为普遍的现象,这容易导致对一种感官的过分关注而忽略其他感官的客观表达.传统的基于访谈、问卷调查的偏好研究方法,虽然简单直观,但是往往容易受社会期望效应的影响而改变受试者的主观反应.因此,如何客观地评价年轻人对白芽奇兰茶的口感偏好,是一项有挑战的研究课题.目前茶叶感官量化评价的主要方法是采用味觉分析系统并结合多元统计分析方法进行.所谓的味觉分析系统是采用了同人舌头味觉细胞工作原理相类似的人工脂F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|膜传感器技术,采用数字化技术评价食品或药品等样品的苦味、涩味、酸味、咸味、鲜味、甜味等基本味觉感官指标,同时还可
13、以分析苦的回味、涩的回味和鲜的回味(丰富度).比如,耿利华等将T S Z味觉分析系统应用于茶饮料的味觉评价.尹洪旭等用气相色谱质谱联用技术结合多元统计分析方法对 个不同栗香特征的绿茶开展研究.柳镇章等采用气相色谱质谱联用法和多元统计分析技术,对款个批次不同风格的安溪铁观音进行感官审评分析.味觉分析系统主要依赖于传感器对茶叶各成分的分析精度.脑电波(E l e c t r o e n c e p h a l o g r a m,E E G)是指按时间序列,在大脑头皮表层记录下的由大脑神经元节律性运动而产生的电压.E E G具有操作简单、成本低、数据可量化等优势,近年来被广泛应用于情绪识别,认知负
14、荷评估 和 疲 劳 驾 驶 检 测.皮 电 活 动(E l e c t r o d e r m a la c t i v i t y,E D A)是指由于刺激引起的皮肤汗腺激活而带来的电传导能力的变化,最敏感的情绪反馈之一.其与情绪反应、生理唤醒、舒适度和疲劳度等密切相关,能反映人的心理负荷水平,因其具有稳定性高、测量简便、灵敏度高等优势,成为反映个体交感神经兴奋性变化的最有效、最敏感的生理参数,被广泛应用于用户偏好情感体验、情感反应 和认知负荷 等研究.心率变异性(H e a r tr a t ev a r i a b i l i t y,HR V)是指个体连续心搏间瞬时心率的微小涨落,迷走
15、神经激活和健康的可靠有效指标,目前HR V主要应用于心理负荷特征,自主神经功能评估 和情感反应.目前中国几乎还未有学者综合利用上述生理信号(脑电,心电和肌电)研究茶叶感官量化评价问题.在以往的研究中,智能感官分析技术 被广泛应用于模拟人类感官过程对产品品质进行检测.在茶叶智能感官分析领域,传感器信号参数主要以时域参数为基础.时域参数 是通过时间轴来提取信号特征的参数,具有形象直观的特点,可以反映原始信号的特征.最常用的时域参数包括最大值、均值、稳定值、方差、标准偏差等.然而,在信号分析领域中,最大值和方差等问题仍存在一定限制.因此,研究拟采用脑电集帽、皮电设备和心电设备等多种设备来获取传感器信
16、号,并使用相关性分析和方差分析评估茶叶的品质,以提高茶叶品质评价活动的准确性和可靠性.理论基础双因素方差分析是数理统计中重要的统计方法,主要用于讨论两个不同的试验因素对试验结果的影响.一般而言,双因素方差分析包括提出假设、构造检验的统计量和决策分析个过程.()提出假设:对行因素提出的假设为:H:uuuk,行因素对因变量没有显著影响;H:ui(i,k),不完全相等,行因素对因变量有显著影响.同理,可对列因素作出类似假设.()构造检验的统计量:记SS T为总误差平方和,是全部样本观察值xi j(i,k;j,r)与总样本均值x的误差平方和,即SS Tkirj(xi jx)kirj(xix)kirj(
17、xjx)kirj(xi jxi,xjx),()SS Rkirj(xix),()SS Ckirj(xjx),()SS Ekirj(xi jxi,xjx),()SS TSS RSS CSS E,()式中:SS R、SS C、SS E 行变量平方和,列变量平方和和随机误差平方和;xi j 第i个水平的第j个样本的观测;x 样本均值;xi表示第i水平的样本均值;xj 第j列的样本均值.与各误差平方和相对应的自由度分别是:总误差平方和SS T的自由度为kr;行因素的误差平方和SS R的自由度为k;列因素的误差平方和SS C的自由度为r;随机误差平方和SS E的自由度为(k)(r).记MS R为行因素的均
18、方,即MS RSS Rk.()MS C为列因素的均方,即MS CSS Cr.()MS E为随机误差项的均方,即MS ESS E(k)(r).()E E G是用来测量和分析由脑神经元内的离子电流引起的电压波动信号,其主要类型与含义见表.大脑的基本组成单位是神经元,神经冲动在神经元上传递时表现为电位变化,脑电信号是人脑内所有神经元电活动的综合.生物电现象是生命活动的基本特征,神经信号在单个神经元上以电位变化的方式传递.在大脑皮层内,神经元的排布不是杂乱无章的,而是在与表面垂直的方向呈链状排列,形成细胞柱.细胞柱内的神经元具有大致|V o l ,N o 杨伯垲等:基于生理信号和多元统计的白芽奇兰茶口
19、感评价表脑电波类型及其主要含义T a b l eT y p e so fE E Gw a v e sa n dt h e i rm a i nm e a n i n g s类型頻率/H z波形特征主要出现位置含义D e l t a波额叶和枕叶大脑皮层在抑制状态下的主要电活动,比如深度麻醉、深度睡眠、缺氧、极度疲劳或者大脑器质性病变T h e t a波顶区与颞区在困倦状态下才可以记录到,尤其是在受到挫折感到抑郁时更为明显,比如工作负荷A l p h a波 任意头部位置大脑皮层在清醒、安静状态下的主要电活动B e t a波 额区和中央区大脑皮层处于兴奋状态的主要电活动相同的特性,它们组成了大脑皮层
20、最基本的机能单位.通过在大脑皮层特定神经中枢对应的头皮位置上布置电极,记录一段时间内各区域神经元放电现象,绘制成随时间变化的动态曲线即脑电图,它可以反映一段时间内大脑皮层活跃情况.E E G的功率谱图主要用于研究脑电信号能量随信号频率 的 分 布.一 般 而 言,功 率 谱 密 度(P o w e rs p e c t r a ld e n s i t y,P S D)是一张二维图,其中横轴为频率,单位H z,纵轴为p o w e r值,单位为d B,一般取对数.不同频带下的脑电信号能量值为不同频带下的面积计算.通过P S D功率谱分析,可以直观地分析不同频带的能量值的分布,哪个频段的激活程度
21、更强.对于一个离散时间信号xn,n,N,其 离 散 时 间 傅 里 叶 变 换(D i s c r e t e t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m,D T F T)为:F(f)Nnxnej f n.()假设信号采样率为Fs,采样点的数量为N,则频域被离散为fk FsN,k,N.()则离散 频域 点 上信 号 的 离 散 傅 里 叶 变 换(d i s c r e t eF o u r i e r t r a n s f o r m,D F T)为FkN nxnej k n/N.()W e l c h法利用平均法改进方差特性,将xN(n)数据长度N分成L
22、段,分别计算每一段的频谱,然后求平均,如式()所示.其中M为每段数据,即窗口长度,UM nw(n)M是归一化因子,用于渐进式无偏估计.PP E R(w)LiM nxiN(i)w(n)ei w nMU L.()E D A反应是最敏感的情绪反馈之一,其与情绪反应、生理唤醒、舒适度和疲劳度等密切相关,能反映人的心理负荷水平.研究发现:人在情绪紧张、焦虑或者恐惧情况下汗腺分泌增加,皮肤表面汗液增多,引起导电性增加而致皮电升高,E D A数据升高;人在情绪较为兴奋、放松的情况下汗腺分泌减少,皮肤表面汗液较少,导电性减少,皮电降低,E D A的数据下降.HR V是指个体连续心搏间瞬时心率的微小涨落.在时间
23、紧迫和情绪紧张的情况下,HR V整体下降.材料与方法被试人员招募 年 龄 岁 的 大 学 生,其 中 男 女 比 例 各,总共 人.试验前均已告知试验目的及内容,并签署知情同 意书,确 保 符合 赫尔 辛 基宣 言及 相 关 法 规要求.试验材料白芽奇兰茶:一级,福建晨晖茶叶有限公司.试验仪器水电极脑电仪:B i t b r a i n型,北京津发科技股份有限公司;智能穿戴生理仪:E r g o L A BB i o s e n s i n g型,北京津发科技股份有限公司.试验步骤试验涉及人体生理信号采集和数据分析处理.生理信号采集采用的是北京津发科技股份有限公司研发的E r g o L A
24、B人机环境同步云平台系统,硬件包括 通道的E E G信号采集B i t b r a i n水电极脑电仪,采样率 H z/s,分辨率 b i t.E r g o L A BB i o s e n s i n g智能穿戴生理仪(用于收集E D A和HR V信号).数据分析处理采用的是津发E r g o L A B_v _x 软件(用于记录和分析数据),W i n d o w s 操 作 系 统,I n t e lC o r eTMi C P U GH z,G内 存,NV I D I A G e F o r c e R T X S U P E R图形加速卡,p y t h o n.基础研究F UN
25、DAME NTA LR E S E AR CH总第 期|年月|所有试验均在艺术学院人机工程实验室中进行,保证受试者不受外界干扰,试验时间为上午:开始.每名被试者按阅读提示、品茶开始、填写问卷和漱口休息的顺序依次进行测试,共进行轮次测试.()阅读提示:受试者先按要求戴好脑电及生理信号设备,坐在试验桌前,眼睛保持与屏幕水平,观看提示,按提示进行对应操作.试验开始,屏幕会出现提示,提示被试者做好准备.取 m L沸水按照表中的参数设置冲泡.表白芽奇兰茶冲泡参数设置表T a b l eB r e w i n gp a r a m e t e rs e t t i n go fw h i t eb u d
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