О возможности создания клавиатурного полиграфа

УДК 004.353: 159.952 В. А. Дюк, Ю. И. Сенкевич

О возможности создания клавиатурного полиграфа

Ключевые слова: клавиатурный почерк, статистический анализ данных, клавиатурный полиграф. Keywords: keyboard handwriting, statistical data analysis, keyboard polygraph.

Описано экспериментальное исследование показателей клавиатурного почерка. Выделены показатели с относительно слабыми статистическими взаимосвязями: скорость печати, коэффициент ошибок, пауза между словами, пауза между абзацами, длительность нажатия клавиш и пауза между «простейшими» элементами текста. Эти показатели отражают меняющиеся психические процессы оператора ПК и могут быть использованы в клавиатурном полиграфе. Кроме того, по изменениям значений указанных показателей можно судить о возникновении у оператора ПК утомления и нежелательных психических состояний.

Таблица 1 Исследуемые показатели клавиатурного почерка

Показатель клавиатурного почерка Обозначение показателя

Скорость печати, символов/мин x1

Средняя длительность нажатия клавиши, мс x2

Длительность нажатия частых клавиш, мс x3

Длительность нажатия редких клавиш, мс x4

Пауза перед частой клавишей, мс x5

Пауза перед редкой клавишей, мс x6

Среднее время между нажатиями клавиш, мс x7

Коэффициент ошибок x8

Пауза между словами x9

Пауза после точки x10

Пауза между предложениями (с пробелом) x11

Пауза между абзацами x12

П р и м е ч а н и е. Перечень клавиш, которые свидетельствовали о совершенной ошибке (в дальнейшем — клавиши ошибок): Delete, Esc, Insert, Delete+, Insert+. Коэффициент ошибок — отношение числа нажатий клавиш ошибок к общему числу нажатий клавиш.

Растущая потребность в ИТ-специалистах обусловила необходимость поиска способов интенсификации их деятельности и мониторинга их состояния. Оценка психофизиологического состояния оператора ПК в процессе длительной работы (от нескольких часов до нескольких суток) является в настоящее время широко обсуждаемой и актуальной темой. При этом важная роль отводится методам контроля состояния оператора ПК по параметрам, отражающим особенности его работы с клавиатурой при наборе тех или иных текстов и составляющим так называемый клавиатурный почерк [4—7]. Ниже приводятся результаты нашего эмпирико-статистического исследования обозначенной темы и описываются предпосылки для создания клавиатурного полиграфа.

пускания всех клавиш и соответствующий каждой клавише код в специальном файле.

На основе полученных данных фиксировались и рассчитывались показатели, приведенные в табл. 1.

Описание эксперимента

В эксперименте приняли участие 70 человек: студенты старших курсов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (31 мужчина и 39 женщин).

Испытуемым была поставлена задача — набрать в течение 1 ч неизвестные им ранее тексты на русском, английском, немецком, испанском языках. В ходе выполнения задания специальным фоновым приложением фиксировались время нажатия и от-

Общие выводы по результатам анализа данных эксперимента

По результатам нашего экспериментального исследования, а также по результатам обзора литературы [5—7] были подтверждены известные и сделаны следующие общие выводы.

1. Показатели работы оператора с клавиатурой индивидуальны и образуют так называемый клавиатурный почерк.

14

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

2. Разные показатели работы оператора с клавиатурой чувствительны к различным аспектам психического состояния оператора и отражают эти состояния. Эта чувствительность подтверждается, в частности, недостаточной точностью решения задач биометрической идентификации по клавиатурному почерку (80—90 %).

3. Значения показателей при отсутствии внешних воздействий и при «нормальном» состоянии оператора относительно медленно изменяются во времени. Тренд динамического ряда этих значений отражает главным образом такие характеристики, как утомляемость и врабатываемость.

4. Наиболее информативным показателем утомления является коэффициент ошибок, который не связан со временем начала работы (внутри суток) и не зависит от типа набираемого оператором текста.

5. Изменения психофизиологического состояния оператора выражаются в нестабильности клавиатурного почерка операторов и проявляются как статистически значимые отклонения значений показателей (или функционала от этих значений) от основного тренда.

Оценка статистических взаимосвязей показателей клавиатурного почерка

Важным вопросом для создания методики оценки психофизиологического состояния оператора, ранее не нашедшим отражения в работах других авторов, является анализ взаимосвязей различных показателей клавиатурного почерка. Оценки такой взаимосвязи в виде рассчитанной на нашем материале корреляционной матрицы приведены в табл. 2. Как видно, более половины табл. 2 занимают относительно невысокие значения коэффициентов.

Для наглядного представления взаимосвязей показателей клавиатурного почерка был применен

по отношению к корреляционной матрице метод метрического шкалирования по Торгерсону. В результате получено следующее отображение показателей на плоскость виртуальных главных компонент (ГК), удобное для визуального выделения групп взаимосвязанных (близких) показателей (рис.). Как следует из рисунка, относительно компактные группировки образуют показатели (х2, х3, х4) и (х5, х6, х7, х10, х11). Содержательный анализ этих группировок показывает, что группировка (х2, х3, х4) отражает длительность нажатия клавиш, а группировка (х5, х6, х7, х10, х11) — паузы между различными простейшими элементами текста.

Таким образом, вся совокупность 12 показателей клавиатурного почерка может быть представлена шестью относительно независимыми показателями:

1) скорость печати, символов/мин;

2) коэффициент ошибок;

3) пауза между словами;

4) пауза между абзацами;

5) длительность нажатия клавиш;

6) пауза между «простейшими» элементами текста.

Представление о клавиатурном полиграфе

Результатами проведенного экспериментального исследования подтверждено, что отдельные показатели, такие как коэффициент ошибки при наборе текста, позволяют оценивать медленно меняющиеся психофизиологические характеристики оператора (например, умственная, эмоциональная и физическая усталость).

С другой стороны, некоторые показатели по отдельности или в комплексе могут служить индикатором сравнительно быстро меняющихся психических процессов, отражающих, в частности, ба-

Таблица 2 Корреляционная матрица показателей клавиатурного почерка (коэффициенты корреляции

вычислялись по всему экспериментальному материалу)

х1 х2 х3 х4 х5 х6 х7 х8 х9 х10 х11 х12

х1 1,00

х2 -0,53 1,00

х3 -0,51 0,95 1,00

х4 -0,42 0,91 0,93 1,00

х5 -0,74 0,19 0,18 0,11 1,00

х6 -0,69 0,17 0,14 0,11 0,89 1,00

х7 -0,71 0,29 0,27 0,23 0,83 0,78 1,00

х8 0,29 0,04 0,02 0,07 -0,17 -0,15 -0,27 1,00

х9 -0,65 0,02 -0,02 -0,08 0,83 0,73 0,69 -0,19 1,00

х10 -0,51 0,27 0,25 0,20 0,66 0,65 0,67 -0,18 0,31 1,00

х11 -0,64 0,26 0,25 0,17 0,72 0,62 0,64 -0,21 0,66 0,64 1,00

х12 -0,26 0,11 0,10 0,05 0,21 0,16 0,16 -0,08 0,35 0,16 0,65 1,00

ГК1

Плоскость первых главных компонент

-0,21

-0,11

-0,01

0,09

0,19

0,29

Рис.

Проекция показателей клавиатурного почерка на плоскость главных компонент

зовые эмоции (радость, гнев, отвращение, грусть, удивление и др.).

Сформулируем представление о клавиатурном полиграфе в сопоставлении со стандартным определением полиграфа.

Стандартное определение полиграфа: техническое устройство, позволяющее выявлять и фиксировать динамику психофизиологических реакций обследуемого лица в ответ на предъявляемые стимулы за счет перевода физиологических показателей активности дыхательной, сердечно-сосудистой систем, электрической активности кожи и других в электрические сигналы, отображаемые в виде графиков, в совокупности образующих полиграмму.

Определение клавиатурного полиграфа: программное средство, позволяющее осуществлять мониторинг психофизиологических реакций обследуемого лица, вводящего текст с клавиатуры, путем регистрации и отображения показателей работы с клавиатурой в виде графиков, в совокупности образующих полиграмму.

Для разработки методики применения клавиатурного полиграфа требуются дополнительные исследования и доработки. Вместе с тем уже сейчас можно охарактеризовать основные черты такой методики для выявления, например, признаков нежелательных психических состояний.

Для выявления признаков нежелательных психических состояний испытуемого используется весь комплекс показателей клавиатурного полиграфа, а именно: скорость печати, коэффициент ошибок, пауза между словами, пауза между абзацами, длительность нажатия клавиш, пауза между «простейшими» элементами текста.

Показателем возникновения нежелательных психических состояний испытуемого может служить каждый отдельно взятый показатель клавиатурного полиграфа. Кроме того, показателем может служить функционал от исходных показателей клавиатурного полиграфа. Простейшим видом такого функционала является сумма нормированных значений исходных показателей.

О методике распознавания нежелательных психических состояний

Особенность методики распознавания нежелательных психических состояний состоит в том, что значение показателя в текущем окне производится не со значением в начальном окне, а со значением в предыдущем скользящем окне.

1. Первые N минут — регистрация и накопление определенного числа значений показателя психического состояния.

2. Организация «скользящего окна» с временным сдвигом (при непрерывной работе оператора) M минут. При прерывистой работе оператора сдвиг окна выбирается исходя из количества набираемых символов. В частности, исходя из того что 5 мин соответствует приблизительно 450 набранным символам.

3. Вычисление значения показателя в скользящем окне.

4. Сравнение текущего значения коэффициента ошибок со значением показателя в предыдущем окне. Сравнение производится путем взятия отношения значений вследствие индивидуальных особенностей оператора.

Превышение отношения текущего значения показателя к значению в предыдущем окне заданного порога служит сигналом для фиксации нежелательного психического состояния у оператора.

Заключение

По результатам проведенного эмпирико-стати-стического исследования можно констатировать, что показатели различных аспектов работы оператора с клавиатурой обладают следующими свойствами:

• чувствительность к различным аспектам психического состояния оператора;

• медленный тренд при отсутствии внешних влияний и изменения психофизиологического состояния;

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы

• слабая статистическая зависимость большого количества показателей.

Эти свойства дают достаточно оснований для проведения дальнейших разработок и использования совокупности показателей работы с клавиатурой как специфического многоцелевого полиграфа.

Литература

1. A.F.M. Nazmul Haque Nahin, Jawad Mohammad Alam, Hasan Mahmud, Kamrul Hasan. Identifying emotion by keystroke dynamics and text pattern analysis // Behaviour & Information Technology. 2014. Vol. 33, N 9. Р. 987996.

2. Epp C., Lippold M., Mandryk R. L. Identifying emotional states using key-stroke dynamics // CHI 2011, Vancouver, BC, Canada, May 7-12, 2011. P. 715-724.

3. Kaveh Bakhtiyari, Hafizah Husain Fuzzy. Model on Human Emotions Recognition // Recent Advances in Electrical and Computer Engineering. P. 77-82

4. Lisa M. Vizer, Lina Zhou, Andrew Sears. Automated stress detection using keystroke and linguistic features: An exploratory study // Int. Jurn. Human-Computer Studies. 2009. P. 870-886.

5. Скринникова А. В. Изменение индивидуальной динамики манипуляций устройствами управления курсором под влиянием эмоций страха и радости // Изв. ЮФУ. Техн. науки. С. 246-251.

6. Суздальцев А. И., Лобанова В. А., Абашин В. Г. Определение психофизического состояния оперативного персонала по клавиатурному почерку на нефтеперерабатывающих мини-заводах // Нефтегазовое дело. 2006. № 2. URL: http:// ogbus.ru/authors/Suzdaltsev/Suzdaltsev_1.pdf

7. Шарипов Р. Р. Разработка полигауссового алгоритма аутентификации пользователей в телекоммуникационных системах и сетях по клавиатурному почерку: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Казанский технический университет им. А. Н. Туполева. 2006. 16 с.

/Г

Л

АО «Издательство "ПОЛИТЕХНИКА"»

предлагает:

О. В. Цветков

ЭНТРОПИЙНЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ В ФИЗИКЕ, БИОЛОГИИ И ТЕХНИКЕ

ISBN 978-5-7629-1734-6 Объем 202 с. Формат 60x84 1/i6

Представлены теоретические основы, методы, алгоритмы и практические рекомендации для повышения информативности и воспроизводимости результатов энтропийного анализа экспериментальных данных различной природы. Рассмотрены приложения энтропийного анализа к задачам обработки данных в физике, биологии и технике. Предназначено специалистам в области обработки данных, инженерам и исследователям, специализирующимся на изучении и практическом использовании закономерностей функционирования сложных технических и природных систем.

Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации: тел: (812) 312-44-95, 710-62-73; факс: (812) 312-53-90. E-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: http//www.polytechnics.ru

Возможна отправка книг «Книга — почтой». Книги рассылаются покупателям в России наложенным платежом (без задатка). Почтовые расходы составляют 40 % и выше от стоимости заказанных Вами книг.

Jf