基于腦電波的人機交互研究

淺談基于腦電波的交互技術2014-2015學年第一學期《人機交互的軟件工程方法》課程大作業(yè)學生姓名張坤學號5011212408所屬學院信息工程學院班級計算機16-4班授課教師勞東青塔里木大學教務處制

淺談基于腦電波的交互技術摘要人機交互是指人和機器設備之間進行的信息傳遞與交流活動，人機交互領域的主要研究工作為如何使得人和機器設備之間具備方便快捷的交流方式。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人機交互技術的研究越來越受到人們的重視。許多新型的設計思想不斷地被提出和實現(xiàn)，其中，不依賴人體四肢等常規(guī)方式對外界設備進行控制的腦機接口技術對未來社會生活和生產活動具有重要的研究意義，相關應用前景十分廣闊。本文設計并實現(xiàn)了基于腦電α波節(jié)律阻斷現(xiàn)象控制外部設備的人機交互控制系統(tǒng)。關鍵詞:人機交互；腦機接口；α波

目錄緒論 淺談基于腦電波的交互技術緒論隨著科技的不斷進步，人們日常生活和生產活動越來越依賴各種先進復雜的機器設備。如何高效便捷地使用各種機器設備對于提高生產力顯得尤為重要。其中，人機交互技術作為一種新型的設備控制技術在己經(jīng)越來越得到廣泛運用。從普通的個人計算機到大型機器設備，人機交互技術使得機器設備的使用效率得到提高。同時，人對設備的操作能力也在得到不斷的擴展，很多人體行為特征可以通過人機交互技術擴展為信息輸出通道，給用戶帶來極大的便利，人機交互技術的發(fā)展極大地提高了和改變了社會生產方式。1、神奇的電信號——腦電波自古以來，人類夢寐以求洞察自身機能，自主調節(jié)機體內部功能。人類發(fā)現(xiàn)，要通過人體自身的心理活動控制相關的生理過程，必須能取得體內機能活動的準確信息，而且要有具備改變有關信息的心理指導。有四種腦電波，四種基本腦波是：δ波（DELTA/δwave），θ波（THETA/θwave），α波（ALPHA/αwave）和β波（BETA/βwave）。這四種腦波構成腦電圖（EEG）。腦電圖是腦內電波的顯示，但腦內電波的電壓很小，只有百萬分之幾伏特。阿爾法腦波的振蕩平均為10次/秒。在腦波中阿爾法腦波是第一個被發(fā)現(xiàn)的。1908年奧地利醫(yī)學家漢斯·伯格博士第一個提出發(fā)現(xiàn)，并稱之為阿爾法波（ALPHA），因為在希臘字母的排序中ALPHA排在第一個，與英文字母A相同。近百年來，無數(shù)的科學家花費了大量的時間用于研究阿爾法腦波，因此關于阿爾法腦波的基礎研究的知識和結論積累豐富。1.1腦電波的作用通過生物反饋可以實現(xiàn)機體自我認識與自主調整，把控制焦點從依賴外界環(huán)境轉移到內部自覺掌握?？沙晒Φ貙w內某一系統(tǒng)、器官、神經(jīng)組織，甚至單個細胞實現(xiàn)自主控制，以充分開發(fā)身體，高效運行體內機能。當代三分之二以上的人類疾病均可歸根到生活過度緊張，思想憂慮引起。用生物反饋技術訓練松馳身心，調節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)，解憂消愁，可以防治許多疾病，提高自身的免疫功能。神經(jīng)心理學研究證實，人體腦電波中8～12赫頻率的α波段是成年人在安靜、覺醒狀態(tài)下的主要活動節(jié)奏。在那些正以某種方式入靜的放松者中間，腦波α成分有序化逐漸增強，而憂慮者則很少出現(xiàn)α波，代之以頻率較高的β成分。腦電α波生物反饋，就是用電子儀器處理腦電波中的α頻譜，使受試者感受自身的α信息，學習有意識地運用心理過程來觸發(fā)某種生理機制，強化α波段成分。腦波處于α段時，人體進入‘放松性警覺’狀態(tài)。主觀感覺舒適、放松和注意力集中，身心沉浸在伸展想像力翅膀飛翔的幻想、沉思氣氛之中?？梢匀〉梅欠驳挠洃浟Γ叨葘Ｗ⒑筒煌瑢こ５膭?chuàng)造力。尤其高振幅的α波在沉思中能導致高效學習成果，是創(chuàng)意思維活動從醞釀到領悟的過渡過程，由此引導腦波頻率進入低于α波段的θ狀態(tài)，使思想處于非常開放，自由流通的創(chuàng)造境界。我個人認為，研制小型、簡便的電子儀器探索腦電生物反饋領域，對神經(jīng)生理學術研究與開發(fā)人體潛能的實踐均有深遠意義。目前新興科技發(fā)展的如日中天，研制小型袖珍機器，進行批量生產，以降低成本，爭取普及和推廣腦電生物反饋技術。1.2實例舉例我們舉例來描述現(xiàn)代人的生活。一個人在早晨還在深睡時（德爾他腦波狀態(tài)）突然被鬧鐘叫醒，時間來不及了，馬上行動（倍他腦波狀態(tài)），緊張，焦慮和匆忙的一天開始了！喝一杯咖啡使自己保持清醒（倍他腦波狀態(tài)），咖啡因可以抑制塞他腦波和阿爾法腦波，并提高倍他腦波。一整天在緊張，壓力或焦慮下工作（大腦中倍他，倍他，還是倍他腦波）一直到晚上精疲力竭時，一頭扎到床上開始大睡（直接進入德爾塔腦波狀態(tài)）。一天當中連放松和感到困倦的時間都沒有（沒有時間進入阿爾法腦波和塞他腦波狀態(tài)）?，F(xiàn)代生活中太多的人這樣駕駛自己的大腦，突然而有力地從一檔直接進入四檔，并從四檔直接回到一檔。阿爾法腦波的存在的合理性，是我們人類大腦先天所具有的，是大腦的基本狀態(tài)之一。但現(xiàn)代生活的緊張使太多人忘記了使自己的大腦處于阿爾法腦波狀態(tài)，從而許多人成為緊張，焦慮所導致的疾病的犧牲品。緊張和焦慮降低人體的免疫力。而大腦有相對較多的阿爾法腦波的人，有相對教少的焦慮和緊張，因此免疫能力也相對較高。這當然對每一個人都有益處。α波又分為三種：慢速α波8-9赫茲臨睡前頭腦茫茫然的狀態(tài)。意識逐漸走向模糊。中間α波9-12赫茲靈感、直覺或點子發(fā)揮威力的狀態(tài)，身心輕松而注意力集中?？焖佴敛?2-14赫茲高度警覺，無暇他顧的狀態(tài)。如果您想減少緊張感，壓力和焦慮，您應該在適當?shù)臅r候提高大腦中的阿爾法腦波，這樣也可以提高您的免疫能力。如果您想提高大腦工作效率，做有創(chuàng)造力的人，您應該學會如何提高大腦的阿爾法腦波。如果您想在眾人面前使自己表現(xiàn)出色，無論是運動表現(xiàn)還是其他方面的表現(xiàn)，您更應該借助阿爾法腦波的幫助。1.3人機交互接口人機交互(Human-ComputerInteraction,HCI):是研究關于設計、評價和實現(xiàn)供人們使用的交互計算系統(tǒng)以及有關這些現(xiàn)象進行研究的科學川。我們所接觸到的人機交互是指人和計算機機器設備之間進行的信息交流，并且盡可能地具備多種方便快捷的交流方式。和我們日常生活關系最密切的就是計算機操作系統(tǒng)的人機交互功能，其設備包括鍵盤、鼠標、顯示器、麥克風等，還包括計算機的模式識別軟件。例如，我們通過鍵盤、鼠標可以很方便地對計算機進行輸入、點擊等控制，通過計算機顯示器的圖像圖形界面可以清楚地得到計算機中的信息，這樣，人和計算機之間就形成了一種很實用的人機交互。而在早期的計算機操作環(huán)境下，計算機無圖形界面，也無鼠標，人和計算機之間的交流顯得很麻煩[1]。人機接口技術(Human-ComputerInteractionTechniques)是指通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術。人機接口技術在計算機系統(tǒng)發(fā)展中得到廣泛的應用。例如，由鼠標、USB驅動、操作系統(tǒng)中相應的模式識別軟件構成的人體輸入學設備使得人對計算機的操作變得十分快捷簡便，這是一套典型的人機交互技術設備。麥克風、計算機聲卡、聲卡驅動程序、操作系統(tǒng)中的音頻處理軟件構成的音頻輸入設備可以方便地將語音信號輸入計算機中[2]，并隨著相關研究領域的發(fā)展，語音識別和語音合成技術使得人和計算機通過語音進行交流逐漸成為現(xiàn)實。人機接口技術是一套整體的系統(tǒng)，它涉及多個學科領域，通常要依靠多種軟硬件系統(tǒng)的相互配合才能實現(xiàn)。1.4人機交互的成果（1）瀏覽器一些展廳經(jīng)常提供觸屏展示設備給參觀者了解展覽信息，但是如果遇到殘障人士或者連手指都懶得動一下的高貴客人，BCI就發(fā)揮了用處。這些腦控瀏覽器不需要太復雜的交互，主要就是點擊、前進、后退、滾動等操作。這些操作可以用不同的意識行為來控制。（2）輪椅控制現(xiàn)有的輪椅需要別人來幫忙推，這需要有陪護時刻在身后；或者自己用雙手滾動輪子，這對于老年人和手部受傷、殘障的人士來說太困難。但是輪椅的控制在邏輯上是很簡單的，只需要前進、后退、左轉、右轉這樣幾個操作就可以了，通過一定的訓練，完全可以讓病患完全用意識來控制輪椅的操作。（3）假肢缺失的肢體是有神經(jīng)系統(tǒng)控制的，而神經(jīng)系統(tǒng)原本就是由大腦的一部分的延伸。如果假肢能夠利用電子線路代替損壞的神經(jīng)線路與大腦重新建立關聯(lián)，那么假肢就不再是塑料或木頭，而是可以控制的手指。即便要完成每個手指的精確移動這個任務難度太大，光是可以控制腿型假肢的移動就已經(jīng)能夠給無數(shù)殘障人士帶來很大的方便。美國的ZacVawter是一名軟件工程師，在一次車禍中喪失右腿。而他所使用的假肢，是通過檢查腿部肌肉的神經(jīng)來判斷。這些信號通過假肢里的處理器計算之后，判斷出使用者的意圖。而他在2012年使用假肢爬上了芝加哥一座2100多級臺階的北美第一高樓——威利斯大廈WillisTower。這個活動極大的宣傳了腦控假肢的應用前景。（4）貓耳朵這是個很萌的應用。日本一家公司開發(fā)了一個探測腦電波的頭飾。當你開心的時候，你頭箍上的貓耳朵就會立起來；當你難過的時候，貓耳朵就會垂下。想象下你的女朋友戴著貓耳朵和你約會的時候，她的喜怒哀樂都可以由貓耳朵看出來，那就不需要費很大心思去揣測女朋友的心情了。對于不善于揣測女朋友心思的理工男來說，這個能很有效地避免兩人的矛盾。不過話說回來，這樣的理工男有女朋友？（5）讀心術雖然我們前面講了BCI是沒法實現(xiàn)讀心術的，但是總有人想要做出不可思議的事情。

2008年日本ATR計算神經(jīng)科學實驗室利用fMRI的技術分析大腦活動，成功顯示出來一些分辨率10*10的圖像。原理大致是由視神經(jīng)激活大腦不同位置，fMRI讀取之后，找到圖像和大腦位置間的規(guī)律。這個訓練過程就得到了圖像和大腦活動之間的模式關系。在測試新的圖片時，就可以讀取激活的大腦位置，利用已經(jīng)知道的模式來推算大概看到了什么。（6）意念控制看過電影《阿凡達》的人一定不會忘記影片中這樣一個橋段：在潘多拉星上，下身癱瘓的的前海軍戰(zhàn)士杰克·薩利躺在密封艙中，通過頭上戴著的復雜設備，利用意念操控人造的混血阿凡達。當然，潘多拉星和阿凡達只是導演卡梅隆的虛構，利用意念操控阿凡達自然也不可能發(fā)生。但是你或許不知道，利用“意念”操控物體已經(jīng)不再是人類的空想。EmotivEpoc意念控制器是美國加州舊金山的神經(jīng)科技公司「EmotivSystems」繼英國埃塞克斯大學的科學家研發(fā)出附有電極的特殊帽子，以思想操控電腦之后，推出的「神經(jīng)頭盔」（neuroheadset），讓使用者戴上之后，只需起心動念便可以操控眼前的電腦，透過意志和情感控制電玩游戲角色動作。該產品的訂價為二百九十九美元。圖1.1意念控制球1.5內容概述本文闡述了一種基于人體腦電a波信號的人機接口技術的設計思想和實現(xiàn)方法[3]。該設思想為通過將腦電α波信號的特征變化轉換為控制命令實現(xiàn)對機器設備的控制。圖1.2和圖1.3分別為系統(tǒng)的硬件采集平臺實物圖和系統(tǒng)軟件截圖。圖1.2人機交互系統(tǒng)的硬件信號采集平臺圖1.3人機交互系統(tǒng)的軟件截圖2、基于腦電a波的HCI系統(tǒng)人體腦電(Electroencephalogram,EEG)是1929年由德國精神病學家海森.伯格(HansBerger)在研究中首次發(fā)現(xiàn)，他通過記錄和研究人體大腦電流的變化情況發(fā)現(xiàn)該電流具有規(guī)律性變化的特性[10]。隨后，該發(fā)現(xiàn)相繼被其他科學家的研究所證實，有關腦電信號的研究作為一個科學領域的分支得到迅速發(fā)展。很多腦電領域研究成果在應用領域具有重要作用，其中，例如，能客觀反映大腦狀況的腦電圖在臨床醫(yī)學領域有著極其重要的應用[11][12]。隨著人們對腦電信號認識的逐步深入，腦電信號的種類逐漸擴展，例如:常規(guī)的多導聯(lián)腦電信號，包括自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電、動態(tài)腦電信號、睡眠腦電信號等，相關的特征也得到較為深入的研究。腦電信號的特征變化可作為一種人體信息傳遞平臺，其研究和應用不斷被探索，其中將腦電信號作為人體與外界進行直接信息交流通道這一想法越來越受到眾多研究機構的重視，基于腦電信號的人機接口技術由此得到不斷發(fā)展。腦電信號的諸多特性使得這種人機接口技術比其他方法具有更多的優(yōu)點和應用前景[13]。2.1腦電a波的概述及其在HCI系統(tǒng)中的應用人機接口系統(tǒng)所使用的腦電信號為電極從人體頭皮表面所采集的能反映大腦特征變化的微弱電流，這些微弱電信號經(jīng)過電路特殊處理后可作為人體對外信息傳輸?shù)妮d體。目前基于腦電信號的人機接口系統(tǒng)所使用的腦電從類型上可以分為誘發(fā)電位和自發(fā)電位兩種。誘發(fā)電位是指采用各種特定刺激源刺激神經(jīng)系統(tǒng)后人體大腦皮層會產生的相關電位，常見的誘發(fā)電位包括依靠視覺神經(jīng)的視覺誘發(fā)電位、依靠聽覺神經(jīng)的聽覺誘發(fā)電位、事件相關電位等。采用誘發(fā)電位的腦機接口系統(tǒng)所具備的優(yōu)點是受試者不需要經(jīng)過嚴格的訓練，并且誘發(fā)電位通常在相關神經(jīng)系統(tǒng)受到刺激后特定的時間范圍內和人體特定的部位可以被檢測到，因此在實際測試中較容易檢測到誘發(fā)電位的特征變化并且在特征識別具備較高的準確率。但是誘發(fā)電位的產生需要依賴外界刺激設備一刺激源。圖2.1為一種基于視覺誘發(fā)電位的腦機接口系統(tǒng)結構模型[4]。圖2.1基于視覺誘發(fā)電位的腦機接口系統(tǒng)結構模型自發(fā)電位又稱自發(fā)腦電節(jié)律，它是指人體大腦皮層在自然正常狀態(tài)下產生的自發(fā)的電位變化。自發(fā)腦電節(jié)律分為很多種類，比如α節(jié)律、β節(jié)律等。人體自身狀態(tài)的某些變化會引起大腦皮層自發(fā)腦電節(jié)律的相關變化。2.1.1α波信號α波信號是自發(fā)腦電節(jié)律的一種，又稱α節(jié)律。α節(jié)律是一種對應與大腦皮層中視覺皮層的閑散節(jié)律的電活動，通常α波信號的能量主要集中在8-13Hz的頻段內，在人體頭皮表面可檢測到的a波信號強度很微弱，電壓幅度大約在20-100laV的范圍內波動。α波具有顯著的節(jié)律性EEG波形特征實驗中會在受試者清醒狀態(tài)時閉目后出現(xiàn)，其信號的波形類似于正弦波，幅度變化特點為先逐漸增大，再逐漸變小，總體外形為梭形形狀。圖2.2為課題實驗中所采集腦電數(shù)據(jù)的α波波形仿真圖[5]圖2.2實驗數(shù)據(jù)中α波信號波形截選圖2.1.2α波信號的應用α波的梭狀波形通?？梢猿掷m(xù)1到2秒鐘的時間，當人睜眼或集中精力思考某個問題時α波會消失，緊接著會出現(xiàn)一段時間的快波，這種特性在腦電研究中被稱為a波阻斷現(xiàn)象。該現(xiàn)象在人機接口研究領域具備很重要的應用。由于α波信號的這一獨有特性，人機接口系統(tǒng)中可以利用其進行命令或指令輸出，從而實現(xiàn)一種對設備簡單而實用的控制手段。根據(jù)α波阻斷原理，在人機接口系統(tǒng)中通過采集設備實時監(jiān)測人體頭皮表面α波信號的幅度，當受試者想要發(fā)送一個控制命令時可以閉目，大腦皮層中的α波信號幅度會增大，系統(tǒng)檢測到這一變化后就會發(fā)送控制命令對外部設備進行操作，當受試者睜眼后，信號幅度降低，系統(tǒng)可再次發(fā)送控制命令。這一過程的實現(xiàn)需要整個人機交互系統(tǒng)平臺的設計工作涉及多個學科領域，包括生物醫(yī)學工程、模擬電路設計、數(shù)字電路設計、數(shù)字信號處理、軟件工程等[6]。2.2系統(tǒng)的框架和原理本課題所設計的基于腦電a波的人機交互從整體結構上涵蓋了多個子系統(tǒng)模塊。如圖2.3所示為系統(tǒng)結構模型框圖，該人機交互系統(tǒng)主要由輸入端電極、腦電預處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、系統(tǒng)軟件、外部控制設備等部分組成。圖2.3人機交互系統(tǒng)結構模型圖系統(tǒng)的設計和運行原理:輸入端的三個電極分別放置在受試者的頭皮枕部、耳垂、額前。實驗中，當受試者清醒狀態(tài)下閉目時，大腦皮層中的α波迅速增強。頭皮表面的EEG由電極和傳輸導線經(jīng)過腦電預處理電路濾波、放大，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡AD轉換后通過USB總線傳入PC中。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)分析模塊首先使用濾波代碼對數(shù)據(jù)進行濾波處理，濾除EEG中的直流分量成分以抑制信號的基線漂移，再采用基于滑動窗的迭代頻譜檢測方法對數(shù)據(jù)進行頻譜分析。算法中針對α波阻斷現(xiàn)象這一特點，在EEG信號的頻譜幅度上設置一個動態(tài)檢測門限[7]，每次對幅值大于檢測門限的頻率點進行分析對比，依據(jù)數(shù)據(jù)的頻譜峰值是否在α波信號的主要能量頻段范圍內8-13Hz推斷出此時受試者是否閉目，進而轉化成控制命令。為了解決不同受試者EEG在頻譜幅度上的差異對檢測門限的影響，在每次頻譜分析運算前進行能量歸一化操作，即將軟件滑動窗內的當前值除以其均方差，從而使不同待檢測信號的相對差異得以抑制，系統(tǒng)運行過程中檢測門限值不會出現(xiàn)太大波動。3、腦電α波的提取許多種類的微弱信號用普通的測量儀是很難測出來的，例如人的腦電、肌電信號等。因為腦電信號的電壓幅值很小，只有5～150μV,頻率低至幾十赫茲以下,這些信號極易被外界干擾信號淹沒。另外,腦電信號的輸出電流也及其微弱,不能用低輸入阻抗放大器處理.因此，為放大這類信號，必須采用高放大倍數(shù)、高輸入阻抗的放大器進行采集放大。但僅考慮高放大倍數(shù)、高輸入阻抗還不能有效地將腦電波采集輸出，還應考慮信號的作用，因為有些干擾信號的幅值已大于或接近于腦電、肌電幅值，如果放大器沒有足夠高的信噪比,也很難將腦電、肌電等有用信號采集到[8]。所以這種微電壓放大器不僅要考慮它的放大倍數(shù),還要考慮它的干擾能力。3.1硬件系統(tǒng)的設計由于人體本身就是一個高阻，因此采集接受腦電波的放大器必須是高輸入阻抗放大器。由于差分放大器是微電壓放大器的前級，對共模抑制比及溫漂等參數(shù)的要求非常嚴格，因此必須使用祛除50Hz工頻信號的帶阻濾波器[9]、截止頻率ω0為100Hz的低通濾波器、集成隔離放大器、α波，β波的帶通濾波器等進行并行采樣、分時轉換。圖3.1腦電信號采集系統(tǒng)的總體框圖3.3輸入端電極為了獲得較好的信號采集效果，硬件平臺中的系統(tǒng)輸入端電極選用精密的銀/氯化銀電極。該電極主要由金屬銀構成，其表面覆蓋一層氯化銀成份，對人體無傷害、與皮膚接觸時刺激性小，具備很好的抗溶解性，使用過程中性能穩(wěn)定。該電極的導線為內部三芯結構加外部屏蔽線，具備良好的導電性和抗干擾性，可有效傳導人體皮膚表面的微弱生物電信號，如腦電信號((EEG)、心電信號((ECG),眼電信號((EOG)。圖3.2為系統(tǒng)所用的腦電信號測量電極。為了提高實驗過程中電極的檢測效果，通常在電極表面涂蓋一層電極膏以提高導電性。圖3.2系統(tǒng)實驗平臺中的輸入端電極腦機接口系統(tǒng)中電極的安放位置普遍遵循10-20導聯(lián)系統(tǒng)所規(guī)定的電極安放標準,10-20導聯(lián)系統(tǒng)是由國際腦電圖協(xié)會制定的腦電測量中相關電極的名稱和安放位置。圖3.3為目前國際標準腦電10-20導聯(lián)系統(tǒng)的圖示，圖中詳細標示了人體頭部相關電極的命名和位置。該標準設計的電極名稱由字母加數(shù)字組成:其中字母代表人體大腦皮層上的特殊區(qū)域，例如P代表大腦皮層頂部區(qū)域，C代表大腦皮層中央?yún)^(qū)域;數(shù)字為偶數(shù)時表示該電極的位置處于大腦右半球，數(shù)字為奇數(shù)時表示電極的位置處于大腦左半球。表3-1詳細列出了10-20國際標準腦電導聯(lián)系統(tǒng)中主要導聯(lián)的相關參數(shù)，如所處部位、導聯(lián)的名稱以及代號等。圖3.3國際10-20標準腦電導聯(lián)系統(tǒng)圖示圖表3-110-20腦電導聯(lián)系統(tǒng)中的導聯(lián)的相關參數(shù)在基于腦電信號的人機交互系統(tǒng)的設計過程中，電極在受試者頭皮表面的安放位置由目標信號的特征決定。系統(tǒng)輸入端共有三個電極:input0端貼在受試者頭皮的枕部，位于圖3.3中標示的Oz導聯(lián)處，在人體頭皮表面，Oz導聯(lián)處腦電成份中的自發(fā)腦電。波信號幅度最強；inputl端作為地電極貼在受試者額頭的眉心處;input2端為電路的參考電極貼在受試者的右耳垂處。3.4α腦電波提取實例3.4.1α波提取由于α波的頻率在8~13Hz,所以構造頻率為8.5Hz、9.5Hz、10.5Hz、11.5Hz、12.5Hz的正弦信號和余弦信號各一組,一共10個信號作為α波的參考信號。將這10個信號與原始閉眼腦電信號S構成ICA方法的輸入端,如圖4所示,然后用fastICA算法對11個輸入信號進行分離,以把閉眼腦電信號中的α波分離掉,得到不含α波的腦電信號D,分離結果如圖3.4所示：圖3.4部分原始閉眼腦電信號和構造的正弦、余弦信號圖3.5ICA方法的輸出信號為了證明分離過程的正確，將分離得到的信號依次和源信號S相關得到的相關系數(shù)如表2：表2源信號和分離輸出信號的相關系數(shù)表從表2中可以看到,分離得到的最后一個信號與源信號的相關系數(shù)的絕對值遠遠大于前面的信號的，因此可以判斷最后一個信號即為D,它和原始信號的相關性最強,證明了分離結果的正確。比較S和D信號的相位關系?？梢酝ㄟ^比較S和D在某一位置附近上升還是下降的趨勢來判別兩者相位關系，若同為上升趨勢,則同相;若趨勢不同,則反相。本文實驗數(shù)據(jù)中比較S和D在第100數(shù)據(jù)點附近的波形,S信號為上升趨勢,而D信號為下降趨勢,說明S信號與D信號的相位相反,這與S和D相系數(shù)為負一致。因此,要分離的α波為:C=S+r×D得到的α波波形以及功率譜圖如圖3.6所示：圖3.6提取出的α波及其功率譜圖3.4.2α波去噪由圖3.5看出,用ICA方法提取出的α波功率譜在50Hz處有一個峰值,說明信號中還含有一定的工頻噪聲,因此需要進行消噪。消除工頻噪聲后,最終閉眼腦電信號提取出的不含工頻噪聲的α波信號以及功率譜如圖3.7所示。圖3.7不含工頻噪聲的α波及其功率譜圖4、人機交互腦電波的未來如今，技術發(fā)展的迅猛程度已經(jīng)完全超出了我們的想象。如果你是新興技術領域的開發(fā)者，或許你今天開發(fā)的東西，明天就被別人的取代了，或者過時了。如果你是該領域的關注者，那么相信你每天都會很忙，因為你時刻要縱覽全球前沿技術發(fā)展動態(tài)，才能讓自己保持清醒的思路。在新的技術時代，人體的各大感官功能都已經(jīng)被研究，并用于開發(fā)各個領域的感應器，從而與各種終端設備深度結合在一起。人體感官體現(xiàn)在終端設備上，已經(jīng)有語音控制、身體感知控制、視覺控制、腦波控制等終端產品。從目前產品化狀況來看，人體幾大感官功能中，視覺、聽覺、身體感知是產品化比較成熟的，但為什么嗅覺、味覺、腦波（思維）控制方面的產品研究卻相對較弱？這三者產品化方面又有什么新動向和發(fā)展趨勢？目前，研究利用腦波技術或腦波控制的相對也比較多，比如利用思維開車，就是用人的腦波讀懂人的思維來控制車到底要往哪里開。大多數(shù)人都知道谷歌的無人駕駛汽車，但不知道的是，柏林自由大學的工程師開發(fā)出的“自治汽車”（autonomouscar）更讓人驚嘆，更酷！汽車的速度和方向可以由司機的思維來控制。只要你想一下“我要到這個地方”，然后汽車就會轉彎駛向新的路徑。如果你中途改變主意，又想去別的地方，沒問題，只要你想一下，一切都搞定。但要實現(xiàn)這點，需要一個思維控制頭式耳機，耳機包含16個腦電圖記錄感應器（Emotiv公司制造的），用戶可以訓練它來感應代表某些想法的腦電波模式。因此，它的整個系統(tǒng)實現(xiàn)起來是比較復雜的，系統(tǒng)的價值要300美元，所以真要成功商業(yè)化，復雜性和成本都是問題。這個實現(xiàn)起來確實比較復雜。再有就是，要實現(xiàn)利用腦波，最主要的就是對腦電波的掃描，而這個掃描都需要在頭上佩戴比較復雜的設備，才能監(jiān)督和收集腦電波的活動，根據(jù)活動判斷人類的思維。所以，如果要成功實現(xiàn)商業(yè)化，必須要解決產品簡易的問題，但目前對腦波掃描的設備還是比較復雜和頭戴式大型設備，這也是目前影響更好商業(yè)化的一個方面。但還有一個最主要的原因在于，人類的腦部活動和思維都非常精密，腦波活動是大腦更高層次的事情，難以被捕捉和模仿，或被寫成程序。腦波不像常規(guī)的視覺和聽覺那樣是有規(guī)律的脈沖，人在清醒和昏睡時的腦波強弱是不一樣的。所以目前整體的現(xiàn)狀應該是還停留在基礎研究的難度上，做成傳感器產品相對不容易。真要用計算機來徹底了解人類思維，可以說目前是不可能的。只能說能根據(jù)一些腦電圖來大致判斷一些人的思維活動。另外，利用人類腦波（思維）的研究，目前多用于醫(yī)療領域。比如，測謊系統(tǒng)，心理學領域等。但這種腦電圖記錄感應器可以有更多直接的應用，比如：控制仿生四肢、讓人操作輪椅、控制手機或平板電腦，還可以應用在玩游戲，感知用戶心理狀態(tài)等方面。雖然目前的腦電波的發(fā)展有限，但還是有很大的市場空間和發(fā)展空間，腦電波應用在未來將會成為人類的主流應用。參考文獻[1]趙翔.智能輪椅的BCI人機接口技術研究[D].中國優(yōu)秀碩士學位