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基于HetEmotionNet框架的多模态情绪识别系统

设计一个基于HetEmotionNet框架的多模态情绪识别系统。以下是分步实现方案:

一、系统架构设计

class TwoStreamHetGNN(nn.Module):
    def __init__(self, modalities=['eeg', 'video']):
        super().__init__()
        self.modalities = modalities
        
        # 模态特异性编码器
        self.encoders = nn.ModuleDict({
            'eeg': EEGEncoder(),
            'video': VideoEncoder()
        })
        
        # 异构图构建模块
        self.graph_builder = HetGraphConstructor()
        
        # 多模态融合模块
        self.fusion = MultiModalFusion()
        
        # 情绪分类器
        self.classifier = EmotionClassifier()

    def forward(self, inputs):
        # 模态特征提取
        features = {mod: encoder(inputs[mod]) 
                    for mod, encoder in self.encoders.items()}
        
        # 构建异构图
        graph = self.graph_builder(features)
        
        # 图递归处理
        graph = self.graph_recurrent(graph)
        
        # 多模态融合
        fused = self.fusion(graph)
        
        # 情绪分类
        return self.classifier(fused)

二、关键组件实现

  1. 时空动态卷积网络(STDCN)
class STDCN(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super().__init__()
        self.conv3d = nn.Conv3d(in_channels, out_channels, 
                              kernel_size=(3,3,3), 
                              padding=(1,1,1))
        self.lstm = nn.LSTM(out_channels, 256, batch_first=True)
        
    def forward(self, x):
        # 输入形状: [B, C, T, H, W]
        x = self.conv3d(x)  # [B, C', T, H, W]
        x = x.permute(0, 2, 1, 3, 4).contiguous()  # [B, T, C', H, W]
        B, T, C, H, W = x.shape
        x = x.view(B, T, C*H*W)  # 时空特征展平
        x, _ = self.lstm(x)
        return x.mean(dim=1)  # 时间维度池化
  1. 图Transformer块(GTblock)
class GTblock(nn.Module):
    def __init__(self, in_dim, n_heads):
        super().__init__()
        self.attn = GAT(in_dim, n_heads)
        self.mlp = nn.Sequential(
            nn.Linear(in_dim, 2*in_dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(2*in_dim, in_dim)
        )
        self.norm1 = nn.LayerNorm(in_dim)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(in_dim)
        
    def forward(self, x, adj):
        x = self.norm1(x + self.attn(x, adj))
        x = self.norm2(x + self.mlp(x))
        return x
  1. 异构图构建模块
class HetGraphConstructor(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.modal_proj = nn.ModuleDict({
            'eeg': nn.Linear(128, 64),
            'video': nn.Linear(256, 64)
        })
    
    def forward(self, features):
        nodes = {}
        edges = defaultdict(list)
        
        # 模态内节点
        for mod, feat in features.items():
            nodes[f'{mod}_nodes'] = self.modal_proj[mod](feat)
        
        # 模态间边
        for i, mod1 in enumerate(self.modalities):
            for j, mod2 in enumerate(self.modalities):
                if i != j:
                    edges[(mod1, 'inter', mod2)] = torch.randn(
                        len(nodes[f'{mod1}_nodes']),
                        len(nodes[f'{mod2}_nodes'])
                    )
        return HeteroData(nodes=nodes, edge_index=edges)

三、训练策略

def train():
    # 数据加载
    train_loader = DataLoader(DEAPDataset(), batch_size=32)
    optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-4)
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    
    for epoch in range(100):
        for batch in train_loader:
            # 多模态数据预处理
            inputs = {
                'eeg': batch['eeg'].permute(0, 2, 1),  # [B, T, C] -> [B, C, T]
                'video': batch['video'].permute(0, 4, 1, 2, 3)  # [B, T, H, W, C] -> [B, C, T, H, W]
            }
            
            # 前向传播
            outputs = model(inputs)
            loss = criterion(outputs, batch['label'])
            
            # 反向传播
            optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            optimizer.step()
            
            # 监控指标
            if batch_idx % 100 == 0:
                print(f'Epoch: {epoch}, Loss: {loss.item()}')

四、数据集适配

  1. DEAP数据集处理
class DEAPDataset(Dataset):
    def __init__(self):
        self.eeg_data = np.load('deap_eeg.npy')  # [N, 40, 8064]
        self.video_data = np.load('deap_video.npy')  # [N, 300, 224, 224, 3]
        self.labels = np.load('deap_labels.npy')  # [N, 4]
        
    def __getitem__(self, idx):
        return {
            'eeg': self.eeg_data[idx],  # [40, 8064]
            'video': self.video_data[idx],  # [300, 224, 224, 3]
            'label': self.labels[idx]
        }
  1. MAHNOB-HCI测试流程
def test():
    test_loader = DataLoader(MAHNOBDataset(), batch_size=16)
    model.eval()
    correct = 0
    
    with torch.no_grad():
        for batch in test_loader:
            outputs = model(batch)
            preds = torch.argmax(outputs, dim=1)
            correct += (preds == batch['label']).sum().item()
    
    accuracy = correct / len(test_loader.dataset)
    print(f'Test Accuracy: {accuracy:.4f}')

五、优化建议

  1. 模态对齐策略
  • 时间对齐:使用动态时间规整(DTW)处理不同步的模态数据
  • 特征对齐:通过共享子空间学习(如CCA)对齐模态特征
  1. 正则化方法
  • 图 dropout:在GAT层应用节点/边dropout
  • 对比学习:引入模态间对比损失
  • 多任务学习:联合预测valence/arousal维度
  1. 可视化分析
from torch_geometric.utils import to_networkx

def visualize_graph(graph):
    nx_graph = to_networkx(graph, to_undirected=True)
    pos = nx.spring_layout(nx_graph)
    nx.draw(nx_graph, pos, with_labels=True, node_color=graph.y)
    plt.show()

这个方案整合了时空特征提取、异构图建模和多模态融合技术,能够有效处理DEAP和MAHNOB-HCI数据集的多模态特性。建议使用PyTorch Geometric进行图结构处理,利用预训练的I3D模型初始化视频流,EEG流使用BCI竞赛预训练权重。

http://www.dtcms.com/a/73566.html

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