VIRHUS: a computational platform for the simulation of physiological signals for VIRtual HUmanS

Abstract

The ability to access bio-signals of participants for research activity is limited specially for informal settings like academic projects. These limitations can be in part overcome it by using software to simulated good enough physiological data. In this work we propose and develop a computational platform to simulate (biological signals of ) virtual humans as a service. The system adopts the concept of digital twin to structure the simulation processes. In this case, the system is not sensing real participants, rather uses pre-recorded signals as inputs to auto-encoders that generate realistic synthetic signal for a virtual human, i.e., a digital twin. The pre-recorded signals used were the electrocardiogram, electrodermal activity and electromyography signals which were labeled with the ongoing emotion. The system, VIRHUS, offers an interactive web environment to create the required virtual humans and manage the simulation processes. A scalable backend takes care of the asynchronous generation of signals, that can be streamed to endpoints (and consumed by external applications) or exported as files, for convenience. As a proof of concept, the “virtual human” data can be parameterized to include emotional traits in the bio-signals (happy, sad,...), generating meaningful variations in data for applications developers.

A capacidade de aceder aos biossinais de participantes para actividades de investigação é limitada, especialmente em contextos informais, tais como projectos académicos. Estas limitações podem ser parcialmente ultrapassadas através da utilização de software para simular dados fisiológicos suficientemente fidedignos. Neste trabalho, propomos e desenvolvemos uma plataforma computacional para simular (sinais biológicos de ) seres humanos virtuais como um serviço. O sistema adopta o conceito de réplica digital ("digital twin") para estruturar os processos de simulação. Neste caso, o sistema não está a monitorar participantes reais, mas utiliza sinais pré-gravados como entradas para autocodificadores que geram um sinal sintético realista para um ser humano virtual, ou seja, uma réplica digital. Os sinais pré-gravados utilizados foram o electrocardiograma, a actividade electrodérmica e os sinais electromiográficos que foram marcados com a emoção em progresso. O sistema, VIRHUS, fornece um ambiente web interactivo para criar os seres humanos virtuais necessários e gerir os processos de simulação. Um backend escalável cuida da geração assíncrona de sinais, que podem ser transmitidos para pontos de acesso programático (e consumidos por aplicações externas) ou exportados como ficheiros por conveniência. Como prova de conceito, os dados "humanos virtuais" podem ser parametrizados para incluir traços emocionais nos biossinais (feliz, triste,...), gerando variações significativas nos dados para os programadores de aplicações.