From 6224b90f53ec2c32657199ee150222bfc5017631 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: ming <1006400273@qq.com> Date: Thu, 9 Apr 2026 09:54:13 +0000 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=E4=B8=8A=E4=BC=A0=E6=96=87=E4=BB=B6=E8=87=B3?= =?UTF-8?q?=E3=80=8C/=E3=80=8D?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit 添加情绪分析算法 --- emotion_algorithm.md | 873 +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 1 file changed, 873 insertions(+) create mode 100644 emotion_algorithm.md diff --git a/emotion_algorithm.md b/emotion_algorithm.md new file mode 100644 index 0000000..ded3f45 --- /dev/null +++ b/emotion_algorithm.md @@ -0,0 +1,873 @@ +# 情绪分析算法详细文档 + +## 一、概述 + +本算法基于生理信号（心率、呼吸率、心率变异性、体动数据）进行情绪状态分析，输出主要情绪、次要情绪、情绪强度、效价、唤醒度等多维度指标。 + +--- + +## 二、情绪类型定义 + +| 枚举值 | 情绪类型 | 英文名 | +|--------|----------|--------| +| 0 | 平静 | CALM | +| 1 | 高兴 | HAPPY | +| 2 | 兴奋 | EXCITED | +| 3 | 焦虑 | ANXIOUS | +| 4 | 愤怒 | ANGRY | +| 5 | 悲伤 | SAD | +| 6 | 压力 | STRESSED | +| 7 | 放松 | RELAXED | +| 8 | 未知 | UNKNOWN | + +--- + +## 三、整体算法流程图 + +``` +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 开始分析 │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 输入数据预处理 │ +│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │ +│ │ 心率数据 │ │ 呼吸数据 │ │ HRV数据 │ │ 体动数据 │ │ +│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ │ +│ │ │ │ │ │ +│ └─────────────┴─────────────┴─────────────┘ │ +│ ▼ │ +│ ┌────────────────────────┐ │ +│ │ 滑动窗口平滑处理 │ │ +│ │ (WINDOW_SIZE = 15) │ │ +│ └────────────────────────┘ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 计算各情绪得分 │ +│ ┌──────────────────────────────────────────────────────────┐ │ +│ │ CalmScore() = 0.45×HR + 0.22×Stability + 0.27×RR │ │ +│ │ + 0.16×RR_reg + 0.10×HRV + 0.08×Move │ │ +│ │ │ │ +│ │ HappyScore() = 0.45×HR + 0.10×Variability + 0.34×RR │ │ +│ │ + 0.10×HRV + 0.08×Move │ │ +│ │ │ │ +│ │ ExcitedScore() = 0.45×HR + 0.10×Trend + 0.34×RR │ │ +│ │ + 0.10×HRV + 0.10×Move │ │ +│ │ │ │ +│ │ AnxiousScore() = 0.36×HR + 0.16×Std + 0.25×(1-HRV) │ │ +│ │ + 0.10×Stress + 0.16×(1-RR_reg) │ │ +│ │ + 0.10×Move │ │ +│ │ │ │ +│ │ AngryScore() = 0.36×HR + 0.20×Trend + 0.25×(1-HRV) │ │ +│ │ + 0.20×(1-RR_reg) + 0.10×Move │ │ +│ │ │ │ +│ │ SadScore() = 0.40×(-HR) + 0.15×(1-Std) + 0.28×(-RR) │ │ +│ │ + 0.10×RR_reg + 0.10×(1-HRV) │ │ +│ │ + 0.10×(1-Move) │ │ +│ │ │ │ +│ │ StressedScore()= 0.36×HR + 0.20×Trend + 0.25×(1-HRV) │ │ +│ │ + 0.10×Stress + 0.16×(1-RR_reg) │ │ +│ │ + 0.10×Move │ │ +│ │ │ │ +│ │ RelaxedScore() = 0.40×(-HR) + 0.22×(1-Std) + 0.16×(-RR) │ │ +│ │ + 0.10×RR_reg + 0.10×(1-Move) │ │ +│ └──────────────────────────────────────────────────────────┘ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 概率归一化 #1 │ +│ │ +│ P_i = Score_i / Σ(Score_j), j = 0 to 8 │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ Top1 概率放大 │ +│ │ +│ Score_max = Score_max × 1.3 │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 概率归一化 #2 │ +│ │ +│ P_i = Score_i / Σ(Score_j), j = 0 to 8 │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 自适应平滑处理 │ +│ │ +│ diff = |P_i - P_prev_i| │ +│ α = (diff > 0.2) ? 0.6 : 0.25 │ +│ P_i = α × P_i + (1-α) × P_prev_i │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 提取 Top1 和 Top2 │ +│ │ +│ 遍历找出: maxProb(最大), secondProb(第二大) │ +│ primaryEmotion = emotion[maxIdx] │ +│ secondaryEmotion = emotion[secondIdx] │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ UNKNOWN 判断 │ +│ │ +│ if (maxProb < 0.20 && (maxProb - secondProb) < 0.03) │ +│ primaryEmotion = UNKNOWN │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 负面情绪合并 │ +│ │ +│ if (primaryEmotion ∈ {ANXIOUS, ANGRY, STRESSED}) │ +│ combinedProb = P[ANXIOUS] + P[ANGRY] + P[STRESSED] │ +│ primaryEmotion = STRESSED │ +│ confidence = max(combinedProb, 各负面情绪概率) │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 计算情绪强度 │ +│ │ +│ hrFactor = |HR - HR_baseline| / 40.0 │ +│ hrvFactor = 1 - sigmoid(HRV_rmssd, 0.02, 40) │ +│ rrFactor = |RR - RR_baseline| / 10.0 │ +│ │ +│ intensity = 0.4 + 0.3×clamp(hrFactor) │ +│ + 0.2×clamp(hrvFactor) + 0.1×clamp(rrFactor) │ +│ │ +│ intensity = clamp(intensity, 0.3, 1.0) │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 计算情绪维度 │ +│ │ +│ valence = (P[hAPPY] + P[eXCITED] + P[rELAXED] + P[cALM]) │ +│ - (P[aNXIOUS] + P[aNGRY] + P[sAD] + P[sTRESSED]) │ +│ │ +│ arousal = (P[eXCITED] + P[aNXIOUS] + P[aNGRY]) │ +│ / (P[eXCITED] + P[aNXIOUS] + P[aNGRY] │ +│ + P[cALM] + P[rELAXED] + P[sAD]) │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ UNKNOWN 强制落地 │ +│ │ +│ if (primaryEmotion == UNKNOWN) │ +│ if (arousal > 0.6) → EXCITED │ +│ else if (valence < -0.2) → STRESSED │ +│ else → CALM │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 计算压力水平 │ +│ │ +│ stressLevel = f(HRV, HR, RR, 压力指数) │ +│ anxietyLevel = f(HR, HRV, 呼吸规律性) │ +│ relaxationLevel = f(HRV, HR, 体动) │ +│ │ +│ sympatheticActivity = 1 - autonomicBalance │ +│ parasympatheticActivity = autonomicBalance │ +│ │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ + │ + ▼ +┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐ +│ 输出结果 │ +│ primaryEmotion, secondaryEmotion, confidence, intensity, │ +│ valence, arousal, stressLevel, anxietyLevel, │ +│ relaxationLevel, sympatheticActivity, parasympatheticActivity │ +└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘ +``` + +--- + +## 四、核心计算函数详解 + +### 4.1 Sigmoid 函数 + +```cpp +float sigmoid(float x, float k, float x0) { + return 1.0f / (1.0f + exp(-k * (x - x0))); +} +``` + +**数学公式：** +``` +σ(x; k, x₀) = 1 / (1 + e^(-k(x-x₀))) +``` + +**参数说明：** +- `k`: 斜率参数，控制曲线的陡峭程度 +- `x₀`: 中心点参数，曲线中点对应的x值 + +**函数图像特征：** +- 当 `x = x₀` 时，σ = 0.5 +- 当 `k > 0` 时，曲线单调递增 +- `k` 越大，曲线越陡峭 + +--- + +### 4.2 Gaussian 函数 + +```cpp +float gaussian(float x, float mean, float std) { + float diff = x - mean; + return exp(-(diff * diff) / (2 * std * std)); +} +``` + +**数学公式：** +``` +G(x; μ, σ) = exp(-(x-μ)² / (2σ²)) +``` + +**参数说明：** +- `μ`: 均值，函数峰值位置 +- `σ`: 标准差，控制曲线宽度 + +**函数图像特征：** +- 当 `x = μ` 时，G = 1（最大值） +- `σ` 越小，曲线越尖锐 +- `σ` 越大，曲线越平缓 + +--- + +### 4.3 归一化函数 + +```cpp +// 心率归一化 +float normalizeHR(float hr, float baseline) { + return (hr - baseline) / baseline; +} + +// 呼吸率归一化 +float normalizeRR(float rr, float baseline) { + return (rr - baseline) / baseline; +} + +// HRV归一化 +float normalizeHRV(float rmssd) { + return clamp(rmssd / 100.0f, 0.0f, 1.5f); +} + +// 体动归一化 +float normalizeMovement(float movement) { + return clamp(movement / 100.0f, 0.0f, 1.0f); +} +``` + +--- + +## 五、各情绪评分算法 + +### 5.1 平静情绪 (Calm) + +**适用场景：** 心率稳定、接近静息基线，呼吸规律，体动较低 + +**计算公式：** +``` +Score_calm = 0.45 × G(|HR_norm|, 0, 0.3) + + 0.22 × (1 - clamp(HR_std / 12, 0, 1)) + + 0.27 × G(|RR_norm|, 0, 0.5) + + 0.16 × RR_regularity + + 0.10 × σ(HRV_norm, 2.0, 0.7) + + 0.08 × G(Move_norm, 0.15, 0.2) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.45 | 最重要，心率需接近基线 | +| 心率稳定性 | 0.22 | 心率变化小 | +| 呼吸率偏离度 | 0.27 | 呼吸需正常 | +| 呼吸规律性 | 0.16 | 呼吸规律 | +| HRV水平 | 0.10 | HRV正常或较高 | +| 体动水平 | 0.08 | 体动低 | + +--- + +### 5.2 高兴情绪 (Happy) + +**适用场景：** 心率略高于基线、有适度变异性，呼吸正常，HRV较高 + +**计算公式：** +``` +Score_happy = 0.45 × G(HR_norm, 0.3, 0.25) + + 0.10 × [1.5 < HR_std < 10 ? 1 : 0] + + 0.34 × G(|RR_norm|, 0, 0.5) + + 0.10 × σ(HRV_norm, 2.0, 0.9) + + 0.08 × G(Move_norm, 0.45, 0.25) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.45 | 略高于基线，Gaussian中心0.3 | +| 心率变异性 | 0.10 | 适度变异(1.5-10) | +| 呼吸率偏离度 | 0.34 | 呼吸正常 | +| HRV水平 | 0.10 | HRV较高 | +| 体动水平 | 0.08 | 适中活跃 | + +--- + +### 5.3 兴奋情绪 (Excited) + +**适用场景：** 心率显著升高且趋势上升，呼吸加快，HRV中等，体动较高 + +**计算公式：** +``` +Score_excited = 0.45 × σ(HR_norm, 2.0, 0.6) + + 0.10 × [HR_trend > 1.5 ? 1 : 0] + + 0.34 × σ(RR_norm, 2.0, 0.5) + + 0.10 × G(HRV_norm, 0.7, 0.4) + + 0.10 × σ(Move_norm, 2.0, 0.6) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.45 | 显著升高( sigmoid中心0.6) | +| 心率趋势 | 0.10 | 趋势上升加分 | +| 呼吸率偏离度 | 0.34 | 呼吸加快 | +| HRV水平 | 0.10 | 中等HRV | +| 体动水平 | 0.10 | 高活跃 | + +--- + +### 5.4 焦虑情绪 (Anxious) + +**适用场景：** 心率升高但变异小，HRV低，压力指数高，呼吸不规律 + +**计算公式：** +``` +Score_anxious = 0.36 × σ(HR_norm, 2.0, 0.4) + + 0.16 × (1 - σ(HR_std / 6, 2.0, 0.5)) + + 0.25 × (1 - σ(HRV_norm, 2.0, 0.6)) + + 0.10 × σ(HRV.stressIndex / 30, 2.0, 0.5) + + 0.16 × (1 - RR_regularity) + + 0.10 × G(Move_norm, 0.55, 0.3) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.36 | 升高( sigmoid中心0.4，较早触发) | +| 心率稳定性 | 0.16 | 变异小（焦虑时心率僵化）| +| HRV水平 | 0.25 | HRV低（高权重）| +| 压力指数 | 0.10 | 压力指数高 | +| 呼吸规律性 | 0.16 | 呼吸不规律 | +| 体动水平 | 0.10 | 躁动状态 | + +--- + +### 5.5 愤怒情绪 (Angry) + +**适用场景：** 心率快速升高且趋势明显，HRV低，呼吸不规律，体动高 + +**计算公式：** +``` +Score_angry = 0.36 × σ(HR_norm, 2.0, 0.75) + + 0.20 × σ(HR_trend / 4, 2.0, 0.5) + + 0.25 × (1 - σ(HRV_norm, 2.0, 0.5)) + + 0.20 × (1 - RR_regularity) + + 0.10 × σ(Move_norm, 2.0, 0.7) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.36 | 显著升高( sigmoid中心0.75) | +| 心率趋势 | 0.20 | 快速上升趋势 | +| HRV水平 | 0.25 | HRV低 | +| 呼吸规律性 | 0.20 | 不规律 | +| 体动水平 | 0.10 | 高活跃 | + +--- + +### 5.6 悲伤情绪 (Sad) + +**适用场景：** 心率偏低，呼吸浅慢，HRV低，体动低 + +**计算公式：** +``` +Score_sad = 0.40 × σ(-HR_norm, 2.0, 0.2) + + 0.15 × (1 - σ(HR_std / 4, 2.0, 0.3)) + + 0.28 × σ(-RR_norm, 2.0, 0.3) + + 0.10 × RR_regularity + + 0.10 × (1 - σ(HRV_norm, 2.0, 0.4)) + + 0.10 × (1 - σ(Move_norm, 2.0, 0.15)) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.40 | 心率偏低（负偏离）| +| 心率稳定性 | 0.15 | 变化小 | +| 呼吸率偏离度 | 0.28 | 呼吸浅慢（负偏离）| +| 呼吸规律性 | 0.10 | 规律 | +| HRV水平 | 0.10 | HRV低 | +| 体动水平 | 0.10 | 低活动 | + +--- + +### 5.7 压力情绪 (Stressed) + +**适用场景：** 心率升高，HRV低，压力指数高，呼吸不规律 + +**计算公式：** +``` +Score_stressed = 0.36 × σ(HR_norm, 2.0, 0.5) + + 0.20 × σ(HR_trend / 3, 2.0, 0.5) + + 0.25 × (1 - σ(HRV_norm, 2.0, 0.4)) + + 0.10 × σ(HRV.stressIndex / 25, 2.0, 0.5) + + 0.16 × (1 - RR_regularity) + + 0.10 × G(Move_norm, 0.6, 0.25) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.36 | 中度升高 | +| 心率趋势 | 0.20 | 上升趋势 | +| HRV水平 | 0.25 | HRV低（高权重）| +| 压力指数 | 0.10 | 压力指数高 | +| 呼吸规律性 | 0.16 | 不规律 | +| 体动水平 | 0.10 | 适中 | + +--- + +### 5.8 放松情绪 (Relaxed) + +**适用场景：** 心率偏低，变异适中，呼吸慢且规律，体动极低 + +**计算公式：** +``` +Score_relaxed = 0.40 × σ(-HR_norm, 2.0, 0.25) + + 0.22 × (1 - σ(HR_std / 8, 2.0, 0.4)) + + 0.16 × σ(-RR_norm, 2.0, 0.3) + + 0.10 × RR_regularity + + 0.10 × (1 - σ(Move_norm, 2.0, 0.15)) +``` + +**权重分析：** +| 指标 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 心率偏离度 | 0.40 | 心率偏低（负偏离）| +| 心率稳定性 | 0.22 | 稳定 | +| 呼吸率偏离度 | 0.16 | 呼吸慢（负偏离）| +| 呼吸规律性 | 0.10 | 规律 | +| 体动水平 | 0.10 | 极低活动 | + +--- + +## 六、次要情绪算法 + +### 6.1 计算原理 + +次要情绪是概率第二大的情绪类型，不具有独立的评分模型。 + +``` +secondaryEmotion = argmax_i (P_i)，其中 i ≠ primaryEmotion +``` + +### 6.2 提取算法 + +```cpp +int secondIdx = 0; +float maxProb = emotionProbs[0], secondProb = 0; +maxIdx = 0; + +for (int i = 1; i < 9; i++) { + if (emotionProbs[i] > maxProb) { + secondProb = maxProb; + secondIdx = maxIdx; + maxProb = emotionProbs[i]; + maxIdx = i; + } else if (emotionProbs[i] > secondProb) { + secondProb = emotionProbs[i]; + secondIdx = i; + } +} + +result.primaryEmotion = (EmotionType)maxIdx; +result.secondaryEmotion = (EmotionType)secondIdx; +result.confidence = maxProb; +``` + +### 6.3 输出格式 + +```cpp +Serial.printf("主要情绪:%s (置信度: %.1f%%);\n", + EMOTION_NAMES[emotionResult.primaryEmotion], + emotionResult.confidence * 100); + +Serial.printf("次要情绪: %s倾向\n", + EMOTION_NAMES[emotionResult.secondaryEmotion]); + +Serial.printf("主要情绪得分:%.3f, 次要情绪得分:%.3f, 差值: %.3f\n", + emotionResult.confidence, + emotionResult.confidence * 0.8f, // 估算的次要得分 + emotionResult.confidence * 0.2f); +``` + +--- + +## 七、概率处理流程 + +### 7.1 归一化公式 + +```cpp +void SimpleEmotionAnalyzer::normalizeProbabilities() { + float sum = 0; + for (int i = 0; i < 9; i++) { + sum += emotionProbs[i]; + } + if (sum > 0) { + for (int i = 0; i < 9; i++) { + emotionProbs[i] /= sum; + } + } +} +``` + +**数学表达：** +``` +P_i = Score_i / Σ Score_j, j ∈ {0,1,2,...,8} +``` + +### 7.2 Top1放大机制 + +```cpp +// 找出最大概率索引 +int maxIdx = 0; +for (int i = 1; i < 9; i++) { + if (emotionProbs[i] > emotionProbs[maxIdx]) { + maxIdx = i; + } +} + +// Top1放大1.3倍 +emotionProbs[maxIdx] *= 1.3f; + +// 再次归一化 +normalizeProbabilities(); +``` + +**目的：** 强行制造"赢家"，增强主要情绪的区分度 + +### 7.3 自适应平滑 + +```cpp +void SimpleEmotionAnalyzer::smoothProbabilities() { + for (int i = 0; i < 9; i++) { + float diff = fabs(emotionProbs[i] - prevProbs[i]); + float adaptiveAlpha = (diff > 0.2f) ? 0.6f : 0.25f; + + emotionProbs[i] = adaptiveAlpha * emotionProbs[i] + + (1.0f - adaptiveAlpha) * prevProbs[i]; + prevProbs[i] = emotionProbs[i]; + } +} +``` + +**数学表达：** +``` +P_i(t) = α × P_i(t) + (1-α) × P_i(t-1) + +其中： + α = 0.6, 当 |P_i(t) - P_i(t-1)| > 0.2（变化快 → 快响应） + α = 0.25, 当 |P_i(t) - P_i(t-1)| ≤ 0.2（变化慢 → 适度抑制） +``` + +--- + +## 八、情绪强度计算 + +### 8.1 计算公式 + +```cpp +float hrFactor = fabs(hrData.bpmSmoothed - baseline.hrResting) / 40.0f; +float hrvFactor = hrvData.isValid ? (1.0f - sigmoid(hrvData.rmssd, 0.02f, 40)) : 0.5f; +float rrFactor = rrData.isValid ? fabs(rrData.rateSmoothed - baseline.rrResting) / 10.0f : 0.3f; + +result.intensity = 0.4f + + 0.3f * constrain_value(hrFactor, 0.0f, 1.0f) + + 0.2f * constrain_value(hrvFactor, 0.0f, 1.0f) + + 0.1f * constrain_value(rrFactor, 0.0f, 1.0f); + +result.intensity = constrain_value(result.intensity, 0.3f, 1.0f); +``` + +### 8.2 公式表达 + +``` +intensity = clamp(0.4 + 0.3×clamp(hrFactor) + 0.2×clamp(hrvFactor) + 0.1×clamp(rrFactor), 0.3, 1.0) + +其中： + hrFactor = |HR - HR_baseline| / 40 + hrvFactor = 1 - σ(HRV_rmssd, 0.02, 40) + rrFactor = |RR - RR_baseline| / 10 +``` + +### 8.3 权重分析 + +| 因素 | 权重 | 说明 | +|------|------|------| +| 基线偏移 | 0.4 | 基础强度 | +| 心率偏移 | 0.3 | 心率偏离基线程度 | +| HRV偏离 | 0.2 | HRV偏离正常程度 | +| 呼吸偏移 | 0.1 | 呼吸偏离程度 | + +--- + +## 九、情绪维度计算 + +### 9.1 效价 (Valence) + +**定义：** 情绪的正面/负面倾向 + +```cpp +void SimpleEmotionAnalyzer::calculateDimensions(const HeartRateData& hr, + const RespirationData& rr) { + float positive = emotionProbs[EMOTION_HAPPY] + emotionProbs[EMOTION_EXCITED] + + emotionProbs[EMOTION_RELAXED] + emotionProbs[EMOTION_CALM]; + float negative = emotionProbs[EMOTION_ANXIOUS] + emotionProbs[EMOTION_ANGRY] + + emotionProbs[EMOTION_SAD] + emotionProbs[EMOTION_STRESSED]; + + lastResult.valence = (positive - negative); +} +``` + +**公式：** +``` +valence = (P_happy + P_excited + P_relaxed + P_calm) + - (P_anxious + P_angry + P_sad + P_stressed) + +范围：[-1, +1] + -1 = 完全负面情绪 + 0 = 中性 + +1 = 完全正面情绪 +``` + +### 9.2 唤醒度 (Arousal) + +**定义：** 情绪的激活程度 + +```cpp + float highArousal = emotionProbs[EMOTION_EXCITED] + emotionProbs[EMOTION_ANXIOUS] + + emotionProbs[EMOTION_ANGRY]; + float lowArousal = emotionProbs[EMOTION_CALM] + emotionProbs[EMOTION_RELAXED] + + emotionProbs[EMOTION_SAD]; + float total = highArousal + lowArousal; + + lastResult.arousal = total > 0 ? highArousal / total : 0.5f; +``` + +**公式：** +``` +arousal = (P_excited + P_anxious + P_angry) + / (P_excited + P_anxious + P_angry + P_calm + P_relaxed + P_sad) + +范围：[0, 1] + 0 = 低唤醒（平静、放松、悲伤） + 1 = 高唤醒（兴奋、焦虑、愤怒） +``` + +--- + +## 十、压力评估计算 + +### 10.1 压力水平 (Stress Level) + +```cpp +void SimpleEmotionAnalyzer::calculateStressLevels(const HeartRateData& hr, + const RespirationData& rr, + const HRVEstimate& hrv) { + float stressScore = 0; + + // HRV压力指数 + if (hrv.isValid) { + stressScore += 0.4f * sigmoid(hrv.stressIndex / 30.0f, 2.0f, 0.5f); + } + + // 心率偏离 + if (hr.isValid) { + float hrNorm = fabs(normalizeHR(hr.bpmSmoothed, baseline.hrResting)); + stressScore += 0.35f * sigmoid(hrNorm, 2.0f, 0.5f); + } + + // 呼吸不规律 + if (rr.isValid) { + float irregularity = 1.0f - rr.regularity; + stressScore += 0.25f * irregularity; + } + + result.stressLevel = constrain_value(stressScore * 100.0f, 0.0f, 100.0f); +} +``` + +### 10.2 焦虑水平 (Anxiety Level) + +```cpp + float anxietyScore = 0; + + if (hr.isValid) { + float hrNorm = normalizeHR(hr.bpmSmoothed, baseline.hrResting); + anxietyScore += 0.4f * sigmoid(hrNorm, 2.0f, 0.4f); + anxietyScore += 0.2f * (1.0f - sigmoid(hr.bpmStd / 6.0f, 2.0f, 0.5f)); + } + + if (hrv.isValid) { + anxietyScore += 0.25f * (1.0f - sigmoid(hrv.rmssd / 50.0f, 2.0f, 0.5f)); + } + + if (rr.isValid) { + anxietyScore += 0.15f * (1.0f - rr.regularity); + } + + result.anxietyLevel = constrain_value(anxietyScore * 100.0f, 0.0f, 100.0f); +``` + +### 10.3 放松水平 (Relaxation Level) + +```cpp + float relaxationScore = 0; + + if (hrv.isValid) { + relaxationScore += 0.45f * sigmoid(hrv.rmssd / 80.0f, 2.0f, 0.6f); + } + + if (hr.isValid) { + float hrNorm = -normalizeHR(hr.bpmSmoothed, baseline.hrResting); + relaxationScore += 0.30f * sigmoid(hrNorm, 2.0f, 0.25f); + relaxationScore += 0.15f * (1.0f - sigmoid(hr.bpmStd / 10.0f, 2.0f, 0.5f)); + } + + if (movement.isValid) { + relaxationScore += 0.10f * (1.0f - sigmoid(movement.movementSmoothed / 30.0f, + 2.0f, 0.5f)); + } + + result.relaxationLevel = constrain_value(relaxationScore * 100.0f, 0.0f, 100.0f); +``` + +--- + +## 十一、特殊处理规则 + +### 11.1 UNKNOWN 判断条件 + +```cpp +if (maxProb < 0.20f && (maxProb - secondProb) < 0.03f) { + result.primaryEmotion = EMOTION_UNKNOWN; + result.confidence = maxProb; +} +``` + +**触发条件（同时满足）：** +1. 最大概率 < 0.20（低置信度） +2. 最大概率与第二大概率差值 < 0.03（多情绪接近） + +### 11.2 负面情绪合并 + +```cpp +if (result.primaryEmotion == EMOTION_ANXIOUS || + result.primaryEmotion == EMOTION_ANGRY || + result.primaryEmotion == EMOTION_STRESSED) { + + float combinedProb = emotionProbs[EMOTION_ANXIOUS] + + emotionProbs[EMOTION_ANGRY] + + emotionProbs[EMOTION_STRESSED]; + result.primaryEmotion = EMOTION_STRESSED; + result.confidence = max(combinedProb, + max(emotionProbs[EMOTION_ANXIOUS], + max(emotionProbs[EMOTION_ANGRY], + emotionProbs[EMOTION_STRESSED]))); +} +``` + +**逻辑：** 焦虑、愤怒、压力三种情绪合并为"压力"情绪 + +### 11.3 UNKNOWN 强制落地 + +```cpp +if (result.primaryEmotion == EMOTION_UNKNOWN) { + if (result.arousal > 0.6f) { + result.primaryEmotion = EMOTION_EXCITED; + } else if (result.valence < -0.2f) { + result.primaryEmotion = EMOTION_STRESSED; + } else { + result.primaryEmotion = EMOTION_CALM; + } +} +``` + +**规则：** +| 条件 | 映射结果 | +|------|----------| +| arousal > 0.6 | EXCITED（高唤醒→兴奋）| +| valence < -0.2 且 arousal ≤ 0.6 | STRESSED（负面→压力）| +| 其他 | CALM（默认平静）| + +--- + +## 十二、输出数据结构 + +```cpp +struct EmotionResult { + EmotionType primaryEmotion; // 主要情绪 + EmotionType secondaryEmotion; // 次要情绪 + float confidence; // 置信度 0-1 + float intensity; // 强度 0-1 + + float valence; // 效价 -1到+1 + float arousal; // 唤醒度 0-1 + + float stressLevel; // 压力水平 0-100 + float anxietyLevel; // 焦虑水平 0-100 + float relaxationLevel; // 放松水平 0-100 + + float sympatheticActivity; // 交感神经活动 + float parasympatheticActivity; // 副交感神经活动 + + bool isValid; // 数据有效性 + unsigned long timestamp; // 时间戳 +}; +``` + +--- + +## 十三、算法特点总结 + +| 特点 | 说明 | +|------|------| +| 多指标融合 | 综合心率、呼吸、HRV、体动4类数据 | +| 权重分配 | 不同情绪对各指标的权重不同 | +| 非线性函数 | 使用Sigmoid和Gaussian模拟生理反应 | +| 自适应平滑 | 根据变化速度动态调整平滑系数 | +| Top1放大 | 增强主要情绪区分度 | +| 负面情绪合并 | 焦虑/愤怒/压力统一为压力评估 | +| UNKNOWN处理 | 低置信度时标记为未知并强制落地 |