基于脑电波的人机交互研究

2014-2015学年第一学期《人机交互的软件工程方法》课程大作业学生姓名张坤学号5011212408所属学院信息工程学院班级计算机16-4班授课教师劳东青塔里木大学教务处制浅谈基于脑电波的交互技术浅谈基于脑电波的交互技术摘要人机交互是指人和机器设备之间进行的信息传递与交流活动，人机交互领域的主要研究工作为如何使得人和机器设备之间具备方便快捷的交流方式。随着现代科技的发展，人机交互技术的研究越来越受到人们的重视。许多新型的设计思想不断地被提出和实现，其中，不依赖人体四肢等常规方式对外界设备进行控制的脑机接口技术对未来社会生活和生产活动具有重要的研究意义，相关应用前景十分广阔。本文设计并实现了基于脑电α波节律阻断现象控制外部设备的人机交互控制系统。关键词:人机交互；脑机接口；α波浅谈基于脑电波的交互技术目录绪论......................................................................11、神奇的电信号——脑电波.................................................11.1脑电波的作用.......................................................11.2实例举例...........................................................21.3人机交互接口.......................................................31.4人机交互的成果.....................................................31.5内容概述...........................................................52、基于脑电a波的HCI系统.................................................72.1脑电a波的概述及其在HCI系统中的应用...............................72.1.1α波信号....................................................82.1.2α波信号的应用..............................................92.2系统的框架和原理...................................................93、脑电α波的提取........................................................103.1硬件系统的设计....................................................113.3输入端电极........................................................123.4α脑电波提取实例..................................................143.4.1α波提取.....................................................143.4.2α波去噪.....................................................164、人机交互脑电波的未来..................................................17参考文献.................................................................181浅谈基于脑电波的交互技术绪论随着科技的不断进步，人们日常生活和生产活动越来越依赖各种先进复杂的机器设备。如何高效便捷地使用各种机器设备对于提高生产力显得尤为重要。其中，人机交互技术作为一种新型的设备控制技术在己经越来越得到广泛运用。从普通的个人计算机到大型机器设备，人机交互技术使得机器设备的使用效率得到提高。同时，人对设备的操作能力也在得到不断的扩展，很多人体行为特征可以通过人机交互技术扩展为信息输出通道，给用户带来极大的便利，人机交互技术的发展极大地提高了和改变了社会生产方式。1、神奇的电信号——脑电波自古以来，人类梦寐以求洞察自身机能，自主调节机体内部功能。人类发现，要通过人体自身的心理活动控制相关的生理过程，必须能取得体内机能活动的准确信息，而且要有具备改变有关信息的心理指导。有四种脑电波，四种基本脑波是：δ波（DELTA/δwave），θ波（THETA/θwave），α波（ALPHA/αwave）和β波（BETA/βwave）。这四种脑波构成脑电图（EEG）。脑电图是脑内电波的显示，但脑内电波的电压很小，只有百万分之几伏特。阿尔法脑波的振荡平均为10次/秒。在脑波中阿尔法脑波是第一个被发现的。1908年奥地利医学家汉斯·伯格博士第一个提出发现，并称之为阿尔法波（ALPHA），因为在希腊字母的排序中ALPHA排在第一个，与英文字母A相同。近百年来，无数的科学家花费了大量的时间用于研究阿尔法脑波，因此关于阿尔法脑波的基础研究的知识和结论积累丰富。1.1脑电波的作用通过生物反馈可以实现机体自我认识与自主调整，把控制焦点从依赖外界环境转移到内部自觉掌握。可成功地对体内某一系统、器官、神经组织，甚至单个细胞实现自主控制，以充分开发身体，高效运行体内机能。当代三分之二以上的人类疾病均可归根到生活过度紧张，思想忧虑引起。用生物反馈技术训练松驰身心，调节神经系统，解忧消愁，可以防治许多疾病，提高自身的免疫功能。神经心理学研究证实，人体脑电波中8～12赫频率的α波段是成年人在安静、觉醒2浅谈基于脑电波的交互技术状态下的主要活动节奏。在那些正以某种方式入静的放松者中间，脑波α成分有序化逐渐增强，而忧虑者则很少出现α波，代之以频率较高的β成分。脑电α波生物反馈，就是用电子仪器处理脑电波中的α频谱，使受试者感受自身的α信息，学习有意识地运用心理过程来触发某种生理机制，强化α波段成分。脑波处于α段时，人体进入‘放松性警觉’状态。主观感觉舒适、放松和注意力集中，身心沉浸在伸展想像力翅膀飞翔的幻想、沉思气氛之中。可以取得非凡的记忆力，高度专注和不同寻常的创造力。尤其高振幅的α波在沉思中能导致高效学习成果，是创意思维活动从酝酿到领悟的过渡过程，由此引导脑波频率进入低于α波段的θ状态，使思想处于非常开放，自由流通的创造境界。我个人认为，研制小型、简便的电子仪器探索脑电生物反馈领域，对神经生理学术研究与开发人体潜能的实践均有深远意义。目前新兴科技发展的如日中天，研制小型袖珍机器，进行批量生产，以降低成本，争取普及和推广脑电生物反馈技术。1.2实例举例我们举例来描述现代人的生活。一个人在早晨还在深睡时（德尔他脑波状态）突然被闹钟叫醒，时间来不及了，马上行动（倍他脑波状态），紧张，焦虑和匆忙的一天开始了！喝一杯咖啡使自己保持清醒（倍他脑波状态），咖啡因可以抑制塞他脑波和阿尔法脑波，并提高倍他脑波。一整天在紧张，压力或焦虑下工作（大脑中倍他，倍他，还是倍他脑波）一直到晚上精疲力竭时，一头扎到床上开始大睡（直接进入德尔塔脑波状态）。一天当中连放松和感到困倦的时间都没有（没有时间进入阿尔法脑波和塞他脑波状态）。现代生活中太多的人这样驾驶自己的大脑，突然而有力地从一档直接进入四档，并从四档直接回到一档。阿尔法脑波的存在的合理性，是我们人类大脑先天所具有的，是大脑的基本状态之一。但现代生活的紧张使太多人忘记了使自己的大脑处于阿尔法脑波状态，从而许多人成为紧张，焦虑所导致的疾病的牺牲品。紧张和焦虑降低人体的免疫力。而大脑有相对较多的阿尔法脑波的人，有相对教少的焦虑和紧张，因此免疫能力也相对较高。这当然对每一个人都有益处。α波又分为三种：慢速α波8-9赫兹临睡前头脑茫茫然的状态。意识逐渐走向模糊。中间α波9-12赫兹灵感、直觉或点子发挥威力的状态，身心轻松而注意力集中。3浅谈基于脑电波的交互技术快速α波12-14赫兹高度警觉，无暇他顾的状态。如果您想减少紧张感，压力和焦虑，您应该在适当的时候提高大脑中的阿尔法脑波，这样也可以提高您的免疫能力。如果您想提高大脑工作效率，做有创造力的人，您应该学会如何提高大脑的阿尔法脑波。如果您想在众人面前使自己表现出色，无论是运动表现还是其他方面的表现，您更应该借助阿尔法脑波的帮助。1.3人机交互接口人机交互(Human-ComputerInteraction,HCI):是研究关于设计、评价和实现供人们使用的交互计算系统以及有关这些现象进行研究的科学川。我们所接触到的人机交互是指人和计算机机器设备之间进行的信息交流，并且尽可能地具备多种方便快捷的交流方式。和我们日常生活关系最密切的就是计算机操作系统的人机交互功能，其设备包括键盘、鼠标、显示器、麦克风等，还包括计算机的模式识别软件。例如，我们通过键盘、鼠标可以很方便地对计算机进行输入、点击等控制，通过计算机显示器的图像图形界面可以清楚地得到计算机中的信息，这样，人和计算机之间就形成了一种很实用的人机交互。而在早期的计算机操作环境下，计算机无图形界面，也无鼠标，人和计算机之间的交流显得很麻烦[1]。人机接口技术(Human-ComputerInteractionTechniques)是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。人机接口技术在计算机系统发展中得到广泛的应用。例如，由鼠标、USB驱动、操作系统中相应的模式识别软件构成的人体输入学设备使得人对计算机的操作变得十分快捷简便，这是一套典型的人机交互技术设备。麦克风、计算机声卡、声卡驱动程序、操作系统中的音频处理软件构成的音频输入设备可以方便地将语音信号输入计算机中[2]，并随着相关研究领域的发展，语音识别和语音合成技术使得人和计算机通过语音进行交流逐渐成为现实。人机接口技术是一套整体的系统，它涉及多个学科领域，通常要依靠多种软硬件系统的相互配合才能实现。1.4人机交互的成果（1）浏览器一些展厅经常提供触屏展示设备给参观者了解展览信息，但是如果遇到残障人士或者连手指都懒得动一下的高贵客人，BCI就发挥了用处。这些脑控浏览器不需要太复杂的交互，主要就是点击、前进、后退、滚动等操作。这些操作可以用不同的意识行为来控制。4浅谈基于脑电波的交互技术（2）轮椅控制现有的轮椅需要别人来帮忙推，这需要有陪护时刻在身后；或者自己用双手滚动轮子，这对于老年人和手部受伤、残障的人士来说太困难。但是轮椅的控制在逻辑上是很简单的，只需要前进、后退、左转、右转这样几个操作就可以了，通过一定的训练，完全可以让病患完全用意识来控制轮椅的操作。（3）假肢缺失的肢体是有神经系统控制的，而神经系统原本就是由大脑的一部分的延伸。如果假肢能够利用电子线路代替损坏的神经线路与大脑重新建立关联，那么假肢就不再是塑料或木头，而是可以控制的手指。即便要完成每个手指的精确移动这个任务难度太大，光是可以控制腿型假肢的移动就已经能够给无数残障人士带来很大的方便。美国的ZacVawter是一名软件工程师，在一次车祸中丧失右腿。而他所使用的假肢，是通过检查腿部肌肉的神经来判断。这些信号通过假肢里的处理器计算之后，判断出使用者的意图。而他在2012年使用假肢爬上了芝加哥一座2100多级台阶的北美第一高楼——威利斯大厦WillisTower。这个活动极大的宣传了脑控假肢的应用前景。（4）猫耳朵这是个很萌的应用。日本一家公司开发了一个探测脑电波的头饰。当你开心的时候，你头箍上的猫耳朵就会立起来；当你难过的时候，猫耳朵就会垂下。想象下你的女朋友戴着猫耳朵和你约会的时候，她的喜怒哀乐都可以由猫耳朵看出来，那就不需要费很大心思去揣测女朋友