Morteza Jafari Malali

Emotion recognition from EEG signals has become a central task in affective computing, offering non-invasive insight into human emotional states. Due to the nonlinear and nonstationary nature of EEG, entropy-based features have gained prominence as reliable indicators of brain complexity. However, traditional entropy metrics—such as Shannon entropy (ShanEn) and its variants—often lack sensitivity to transient dynamics and multiscale irregularities in the brain’s electrical activity. This study introduces a novel application of Entropy of Entropy (EoE) to EEG phase series (EoE – phase), aiming to enhance the detection of emotional states by capturing second-order variability in signal complexity. Unlike conventional measures, EoE quantifies not just signal unpredictability, but also the fluctuation of that unpredictability over time, offering a more dynamic representation of neural information flow. Using the GAMEEMO dataset, which includes EEG recordings from 28 participants during four emotion-evoking game scenarios (funny, boring, horror, calm), we computed and compared four feature sets: Phase Entropy, EoE – phase, ShanEn, and EoE applied to EEG amplitude time series. These features were classified using six machine learning models, including AdaBoost, SVM, and Random Forest. Our results demonstrate that EoE applied to phase dynamics significantly outperforms other entropy-based features, achieving a classification accuracy of 71.7% and AUC of 0.869 using the RF classifier with mixed PhaseEn and EoE-phase features, while traditional Shannon-based features reached only ~59% accuracy. This study provides the first systematic evaluation of EoE on EEG phase signals for emotion recognition, revealing its strong discriminative power and potential for integration into next-generation brain-computer interfaces.

شناسایی احساسات از سیگنال‌های EEG به یکی از وظایف محوری در رایانش عاطفی تبدیل شده است و بینشی غیرتهاجمی نسبت به وضعیت‌های عاطفی انسان ارائه می‌دهد. به دلیل ماهیت غیرخطی و غیرایستا بودن EEG، ویژگی‌های مبتنی بر آنتروپی به عنوان شاخص‌های قابل اعتماد پیچیدگی مغز مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، معیارهای سنتی آنتروپی—مانند آنتروپی شانون (ShanEn) و انواع آن—اغلب نسبت به پویایی‌های گذرا و بی‌نظمی‌های چندمقیاسی در فعالیت الکتریکی مغز حساسیت کافی ندارند. این مطالعه کاربرد نوینی از آنتروپیِ آنتروپی (EoE) را بر سری‌های فاز EEG (EoE – phase) معرفی می‌کند که هدف آن ارتقاء شناسایی وضعیت‌های عاطفی از طریق ثبت تغییرپذیری مرتبه دوم در پیچیدگی سیگنال است. برخلاف سنجه‌های متعارف، EoE نه تنها غیرقابل پیش‌بینی بودن سیگنال، بلکه نوسان این غیرقابل پیش‌بینی بودن را در طول زمان کمی‌سازی می‌کند و بازنمایی پویاتری از جریان اطلاعات عصبی ارائه می‌دهد. با استفاده از پایگاه داده GAMEEMO که شامل ثبت‌های EEG از ۲۸ شرکت‌کننده در چهار سناریوی بازی برانگیزاننده احساس (خنده‌دار، کسل‌کننده، ترسناک، آرام) است، چهار مجموعه ویژگی شامل آنتروپی فاز، EoE – phase، ShanEn و EoE اعمال‌شده بر سری زمانی دامنه EEG محاسبه و مقایسه شد. این ویژگی‌ها با استفاده از شش مدل یادگیری ماشین از جمله AdaBoost، SVM و Random Forest طبقه‌بندی شدند. نتایج ما نشان می‌دهد که EoE اعمال‌شده بر پویایی فاز به طور معناداری عملکرد بهتری نسبت به سایر ویژگی‌های مبتنی بر آنتروپی دارد و با استفاده از طبقه‌بند RF و ترکیب ویژگی‌های PhaseEn و EoE-phase، دقت طبقه‌بندی ۷۱.۷٪ و AUC معادل ۰.۸۶۹ را به دست می‌آورد، در حالی که ویژگی‌های مبتنی بر شانون تنها به دقت حدود ۵۹٪ می‌رسند. این مطالعه نخستین ارزیابی نظام‌مند EoE بر سیگنال‌های فاز EEG برای شناسایی احساسات را ارائه می‌دهد و قدرت تمایزبخشی بالای آن و پتانسیل ادغام در رابط‌های مغز-رایانه نسل آینده را آشکار می‌سازد.