基于皮肤电反应监测分析技术的神经电影学研究基础

孙传林 袁一茗

近年来，随着认知神经科学技术的发展，曾经惯用于脑科学及心理学研究的技术也逐渐交叉出新的研究领域，为研究电影电视节目的受众反应提供了新的可能性。目前，部分国内外高校及电影电视公司均有研究者把目光移向了认知神经科学，尝试采用眼动追踪、脑电、功能性近红外光学成像、功能性磁共振成像、皮肤电反应监测等技术手段考查观影个体观看效果的反馈。

在认知神经科学的诸多方法中，由于电生理信号的真实性和客观性，基于电生理信号的识别已经成为认知神经科学领域内相对成熟的研究方式。该研究主要通过对采集到的电生理信号进行分析，提取能够代表特定受众关注度或情绪反应的特征，建立受众关注度或情绪反应的研究模型。①皮肤电反应作为一种重要的电生理信号，已经被证明包含可靠的情感生理反应特征。另外，相对于其他电生理信号，皮肤电反应的监测技术方法简单、容易量化测试，且信噪比在可接受范围内。皮肤电反应较为敏感，可以对应人类的情绪反馈，数据来源于皮肤汗腺的自主激活，与情绪、唤醒度和注意力等因素密切相关，是生理学反应系统中应用最广泛的测量指标类型之一。同时，因其稳定性高、测量简便、灵敏度高等优势，已成为反映个体交感神经兴奋性变化最有效、最敏感的生理参数。因此，皮肤电反应可以作为评价个体生理唤醒、认知负荷、努力程度、情绪反应以及应激能力的良好指标，可应用于产品设计、用户体验测评、操作人员应激反应等研究内容。皮肤电反应监测分析技术近些年来也被部分国外高校及广播电视公司用于影视研究中，用以确定人们在电影或电视及其他形式的视听媒体上听到或看到特定信息时的反应。这种类型的研究可以帮助电影电视创作者了解“传统”影像美学、技巧的准确性，以便用更为理性的角度理解影像；也能够使制片、营销人员更好地了解目标人群和市场，并根据这些信息做出决策。②深入探讨皮肤反应监测分析技术的优势及应用，有助于为电影学的研究提供新的可能性，可以进一步利用实验采集所需要的皮肤电反应信号建立实验数据库，并对信号进行预处理和非线性特征提取，进而进行受众情绪、关注度识别监测，最后建立客观的影片评价体系。而这一客观评价可以为电影电视内容、拍摄方法及后期处理环节提供指导或创新性的建议，为电影电视的研究提供新的可能性。

一、皮肤电反应简介

普通人类的身体大约有三百万个汗腺，在手掌、手指以及脚底分布较为密集。当机体受到感官刺激或者情绪产生变化时，皮肤内的血管会产生收缩和舒张，机体的汗腺就会被激活而发生变化，进而分泌水分，并通过毛孔渗出皮肤表面，在分泌液中的离子能够改变电流正负平衡，这种可测量的皮肤电导的变化（皮肤电导增加等于皮肤电阻降低）称之为皮电活动。①皮电活动能够快速、灵敏地反应刺激事件对个体的影响程度。人类的汗液是由自主神经驱动来满足行为需求。一般来说，自主神经包括两个部分：交感神经系统代表快速反应动员系统，促进立即行动；交感神经活动的增加与自主神经相关，如心率变快、血压增加等。副交感神经系统表示缓慢变化，与调节、休戚等相关。

在神经电影学研究领域，皮肤电反应通常有以下术语：皮肤电导（SC）、原发性皮肤反应（GSR）、皮肤电反应（EDR）、皮肤电导反应（SCR）、交感神经皮肤反应（SSR）和皮肤传导水平（SCL）等。据相关资料显示，皮电基本上采用EDA和GSR两种简称表示，但两者之间没有明确区别，EDA表示的是皮肤电活动，GSR表示的是原发性皮肤电反应。②

皮肤电反应信号主要分为两部分，由渐变信号Tonic Data和突变信号Phasic Data组成。Tonic Data指总体的缓慢变化信号，因个体间的基线水平差异较大，范围在2—20?S之间。根据不同的环境因素和皮肤特性，同一个人的皮肤在很长一段时间内Tonic Data也会发生变化。皮肤电导水平（SCL）是测量Tonic成分最常用的方法。相关研究表明，SCL的变化与个体的自主觉醒水平有关，如情绪的一般水平和压力水平。③由于SCL变化缓慢，所以测量时间需要足够长。SCL水平会根据个体差异和实验环境变化而变化，所有数值本身需要结合基线分析才有意义。Phasic Data指交感神经活动引起的快速变化部分，也被认为是皮肤电导响应（SCRs）。SCRs在皮电信号中可以直观地看到快速的波动及较大的波幅。④其中包括：事件相关SCR（ER-SCR），常用作解释特定刺激事件与情绪唤醒水平相关关系的测量方法；非特异性SCR（NS-SCR），不同被试的NS-SCR频率可能不同，平均为每分钟1—3次，高水平的觉醒也与较高的NS-SCR频率有关。在进行ER-SCR实验设计中，SCR响应速度有一定延后性（一般在刺激呈现之后1—5s开始反应），需要保证刺激之间的时间间隔。⑤

二、皮肤电反应在神经电影学领域的国内外研究现状

皮肤电反应和电影的交叉研究渊源可以追溯到1970年，查尔斯·凯撒（Charles Kaiser）与罗伯特·罗斯勒（Robert Roessler）在美国的休斯顿大学贝勒医学院召集了20名男性学生，分别在平静休息时间、温和剧情的电影放映期间和有一定紧张刺激情节的电影放映期间监测皮肤电反应。但当时神经电影学的概念还尚未被提出，实验仅测试出在有一定紧张刺激情节的电影放映期间产生的皮肤电反应水平和幅度最大，而在平静休息时间产生的皮肤电反应水平和幅度最小，由此获得了皮肤电反应水平和幅度与MAACL评分之间的直接关系。⑥这项实验的结论被广泛地应用于心理学研究，虽然没有进一步探讨认知神经科学与电影学的交叉领域，但这些皮肤电反应指数与电影刺激的平行变化支持电影剧情因素在认知神经科学机制方面的重要解释。

神經电影学自被提出，就立刻受到了高校、电影公司、广播电视公司的广泛关注。2011年，一位名叫兰德尔（Randal K.）的学者在Fastcompany期刊发表了题为《神经电影学的兴起：好莱坞电影公司如何利用脑电波赢得奥斯卡奖》（Rise of neurocinema： How Hollywood studios harness your brainwaves to win Oscars.）的文章。①该文章披露，美国电影工业以好莱坞电影公司为代表，已经验证了神经电影学的实用性并将其引入到了电影的实际生产中。好莱坞电影公司选择了研究及使用成本较高、精准度高的脑电波实验方法。直到2017年，成本更为低廉的皮肤电反应监测分析技术被哥本哈根大学、英国广播公司（BBC）营销和观众中心、丹麦广播公司（DR）科研中心引入到实验和科研领域。该项目的初期实验内容选用了电视连续剧《金钱流向》（DR，2015）的第一集，以此进行观众情感投入的实证研究。该研究通过测量和分析皮肤电导（SC）反应作为情绪唤醒的指标，监控实时的观众反应。其实验结果为：每个场景的平均皮肤电导测量值与剧情发展中事件的峰值分布密度高度重合，详见图1、2、3、4：

该实验结果表明：皮肤电反应监测分析技术在认知神经科学及神经电影学领域具有较高精确度。皮肤电反应也表现出抗干扰能力强的优点。此外，因其较为低廉的实验成本和小巧轻便的体积，很适合由大量被试者佩戴进入日常观影场所，以便测试场景接近实际观看场景。相比需在特定实验室进行的核磁共振数据或脑电数据监测，皮肤电反应监测分析技术可将无关变量降至更低水平。低廉的实验成本也意味着可以采集更多被试受众的数据，更符合建立实验数据库的较大样本数据量需求，以及影片评价体系模型建立等科研与产业实践数据量诉求。②主流认知神经科学及神经电影学研究手段优缺点具体如表1所示：

在国内，北京师范大学艺术与传媒学院王宜文教授团队较早展开了该领域的研究。王宜文教授团队基于认知神经科学技术的特点，利用功能性核磁共振（fMRI）等技术对电影理论中情绪、视听、镜像机制等方面进行研究并取得了一定成果。神经电影学亦在国内市场中的观影评价等方面表现出了较大的现实意义和社会商业价值。[1]

三、神经电影学研究实验中皮肤电反应的测量、统计与分析

皮电反应是由于当机体受外界刺激或情绪状态发生改变时，其植物神经系统的活动引起皮肤内血管的舒张和收缩以及汗腺分泌等变化，从而导致皮肤电阻发生改变引起的反应。皮电反应测量技术是通过将一对电极放置在皮肤表面，在皮肤上施加一个微小的恒定电压，流过皮肤的电流与皮肤电导成正比，通过电流电压转换后，皮肤电导变化信号将以数值形式被记录，因此皮肤电导响应又称为皮肤电流响应。在技术层面，通常使用电极测量皮肤电导率，测量单位为微西门子micro-Siemens（μS）。[2][3]

为获得良好的皮电反应信号质量，电极应该接触到皮肤中汗腺充足的区域。在我们身体的各个部位都能找到不同比例的汗腺，其中，手掌、足底、手指和肩膀是放置皮电电极最常见的位置，因为这些部位具有高密度的汗腺（图5所示）。

对比汗腺密度，手掌的密度最高，因此是连接EDA电极的首选部位；手指相对比手掌的皮电信号低，但手指测量不影响电导率分析，大多数情况下也是放置电极的合适位置；足底、脚的内侧也是测量皮电的一种选择，但因操作相对不便，使用较少。当参与者需要使用双手进行任务操作时，例如测试交互式电影或XR媒体项目时则推荐此种方式。

电极的放置位置取决于实验设计、可用电极的类型以及被试所允许的干扰程度。在同一个实验中，如果确定了最合适的测量位置，应尽量保持对所有被试对象采取同样的方式进行数据采集，以便更可靠地进行结果对比。

在观看时长较长的电影、电视以及其他媒体内容时，受试对象处于长时间情绪刺激，渐变信号SCL则是常用的统计与分析指标。个体活跃时，电导水平相对增高，松弛时则相对较低，是对启动势能的一种良好评价参数。SCL的变化亦可从认知负荷的角度解释分析：特定任务造成人体认知负荷的提高，中枢神经及交感神经会更加活跃；相应的受其控制的汗腺分泌汗液活动也会加强，进而导致SCL升高。[4][5]

在测试独立刺激事件时，突变信号的监测更有实际意义。皮肤电反应的陡峭波峰被称为皮肤电导反应（SCR），统计指标一般包括：SCR开始反应时间（Onset Time）、Peak Time峰值时间、Rise Time上升时间、Amp幅值、Half Deacy Time半衰减期、SCR反应分析结果等。从个体接收到刺激开始，皮电上升至峰值点，然后逐渐恢复至基线水平，上升时间反映了个体对刺激的响应程度，峰值测量个体对刺激的唤醒强度，半衰期测量了个体情绪的自我恢复水平，可以用于对比镜头内部和切换时的戏剧性强度、叙事节奏、画面刺激、声音设计以及剧情逻辑合理性反应等。由特定事件引起的SCR皮肤电导反应，称为ER-SCR。统计指标包括刺激反应个数（nSCR）、反应延迟时间（Latency）、反应幅值（Amplitude Summary）、反应水平（SCL）、平均半衰减期（Average Half Decay Time）、平均上升时间（Average Rise Time）、平均幅值（Average Amp）、平均反应水平（Average SCL）等。①

结语

神经电影学被认为是新兴的跨学科。它依靠神经科学的发现来探索电影、电视等视听媒体对受众感知觉、情绪情感等各个方面的影响，并以此对视听媒体的创作技法、观念、受众分析等进行精准判断。皮肤电反应的监测分析技术是神经电影學研究的新角度，自被提出就受到了国际学界、业界的广泛关注，在英国、美国等大学研究院较早开展了相关研究。近年来，神经电影学在国内也开始发展，并取得了一定的成果。核磁共振成像技术作为准确的研究手段，最先在世界范围内被广泛采用。其主要依托核磁共振成像技术来分析观众接受影像声音刺激时的脑部区域反应，并用来验证电影学的基本理论。其优点在于数据准确，能够从大脑的活跃区域以及兴奋程度来对影像进行关联分析。缺点在于成本较高，定量分析相对不足，在被测试者的观看屏幕尺寸、节奏的准确性上都有所欠缺。因此，更为便利的皮肤电反应监测分析技术得以运用，其可以增加研究样本量，并通过数据分析进行数据筛选和修正，建立多样化的测量体系。在应用价值上，当前传播手段从图文时代快速进入到影像时代，电影、电视、短视频等对于信息的传播占有更大的优势，所以为视频生产、影像美学流变等提供理论与技术支持的神经电影学研究具有较强的实际应用价值。从目前的研究现状来看，基于皮肤电反应监测分析技术的简便、廉价、方便量化、具备成熟的数据分析系统等优点，可以为影像/声音技术、内容、评价等方面提供准备而快速的信息支撑及发展指导，对拓宽电影研究者们研究思路方面也能有所裨益。[6]随着神经电影学更大范围、更深的发展，电影工业也将面临一个新的世界。这个新世界中，影像和声音对人脑各个方面的影响将会被相对客观、彻底的审视。

【作者简介】  孙传林，男，江苏盐城人，燕京理工学院传媒学院副教授，主要从事电影摄影技术与理论研究；

袁一茗，男，河北保定人，燕京理工学院传媒学院助教。

【基金项目】  本文系2022年度河北省高等学校人文社会科学研究重点项目“基于多种生物电信号的神经电影学交叉研究”（编号：SD2022107）阶段性成果。

参考文献：

[1][6]王宜文，赵雨，王泉泉.基于fMRI技术的电影学与认知神经科学交叉研究进展[ J ].当代电影，2018（02）：37-42.

[2]孙学军，刘买利，叶朝辉.脑功能磁共振成像研究进展[ J ].中国神经科学杂志，2001（03）：270-272.

[3]方沛如，李晓玉，聂挺，常海鹏，钟鑫.皮肤电反应在异常心理评估中的应用初探[ J ].现代信息科技，2018（03）：186-189.

[4]俞其峰.三参数人体应激检测系统研究[D].浙江大学，2012（07）.

[5]李晓军，肖忠东，孙林岩，李经纬.可用性问题严重程度对交互过程用户皮肤电导水平的影响[ J ].系统管理学报，2015（04）：4-10.