基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统，属于脑机交互领域。该系统主要包括图片刺激器，头表脑电信号采集器、人脸识别特异性波N170检测器、正负情绪分类器、情绪音乐播放器和情绪调节器。图片视觉刺激器将人脸正负情绪图片以视觉刺激的方式混合呈现给用户，采集用户的脑电信号，经放大、模数转换后，经过人脸识别特异性波N170检测器的处理分析，检测并提取出含有人脸正负情绪图片刺激相关的特异性N170脑电信号，并将分类器用于正情绪和负情绪脑电信号的分类，然后转化为控制命令，完成对正负情绪音乐的控制。本发明专利技术脑电特异性波的特征比较稳定，识别效果高，能够实现高可用性的脑机接口。

【技术实现步骤摘要】
基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统
本专利技术属于脑机交互领域，涉及一种基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统。
技术介绍
脑机接口技术形成于上世纪70年代，经过近半个世纪的发展，如今已能实时捕捉大脑复杂神经信号，并用来直接控制外部设备，使得人和机械可以作为一个生命不同组成部分而共存。人的大脑是一个高度复杂信息处理系统，它由数十亿的神经元通过相互连接来进行信息交流，以整体协调方式来完成各种各样的认知任务。在人类进化过程中，科学家发现，当人的大脑在进行思维活动、产生意识或受到外界的刺激(如视觉、听觉等)时，伴随其神经系统运行的会有一系列电活动，从而产生脑电信号。“脑机接口”技术就是通过采集大脑皮层神经系统活动产生的脑电信号，经过放大、滤波等方法，将其转化为可以被计算机识别的信号，从中辨别人的真实意图。其核心技术主要包括大脑神经生物信号采集技术、大脑神经生物信号处理技术、人机高效协同技术等。就是说，人脑想执行某个操作，不需要通过肢体动作，通过“脑机接口”技术，即可让外部设备读懂大脑神经信号，并将思维活动转换为指令信号，来实现人脑思维的操控。目前较为常用的脑机接口系统主要有基于P300等事件相关脑电成分的系统(基于P300脑电电位的中文输入BCI系统，专利技术专利，申请号：200710164418.6，公开号：CN101201696A)和基于视觉诱发脑电成分的系统(基于虚拟仪器稳态视觉诱发电位脑机接口系统及控制方法，专利技术专利，公开号：CN101576772)等。1)基于P300诱发电位的脑机接口系统P300电位属于由小概率事件诱发产生的事件相关电位,因对应于事件发生后约300毫秒处脑电信号中的一个正电位波形而得名。通过对P300电位的检测和分析后,我们得到被试关于事件任务的特定脑电模式,并以此作为交互手段,达到被试对计算机进行控制甚至于与外部环境进行交互的目的。经典的P300单个波可在oddball实验范式下出现，对同一感觉通路的一系列刺激由两种刺激组成，一种出现的概率性很大(85％)，称标准刺激，另一种出现的概率很小(15％)，称偏差刺激。两种刺激出现的顺序是随机的，对受试者来说偏差刺激具有偶然性。令受试者发现偏差刺激后尽快按键或记忆其数目，此时偏差刺激称为把刺激。在偏差刺激后约300毫秒可以观测到一个很大的正波，即为P300。基于P300诱发电位的脑机接口系统如图1所示，这套系统的实现方式是一个屏幕上按行或列随机闪烁一个6×6的字符矩阵，当使用者想要输入的字符所在的行或列发生闪烁时，就是小概率事情，就称为相关事件或靶刺激。其它行列闪烁则不会诱发脑电中的P300成分。通过特征提取和判别算法求出引起P300波幅最大的行和列，该行和列交点上的字符即为使用者想要输入的字符。(参见L.A.FarwellandE.Donchin,Talkingoffthetopofyourhead:Towardamentalprosthesisutilizingevent-relatedbrainpotentials.ElectroencephClinNeurophysiol.1988,70:510-523.)上述的系统通过检测P300作为判别的依据，由于P300在事件发生后300毫秒，因此要求两次刺激的时间间隔较长，以保证P300能够产生并得到。这类系统的缺点是诱发P300的行和列容易受到周过行和列的干扰，从而引起误判，即影响该系统的判别准确率。这类系统的应用范围受到很大的限制。2)基于稳态视觉诱发电位的脑机接口系统稳态视觉诱发电位(steady-statevisualevokedpotential,SSVEP)是大脑视觉皮层对处于视觉中心的闪烁刺激的一种生物反馈，研究证明，处于视觉中心的闪烁刺激能够对视觉皮层的神经元群在特定模式上的神经活动产生增强作用，从而对脑电信号特定频率成分的幅度进行调控，SSVEP的响应频率一般与视觉刺激频率相同，通常认为，SSVEP在视觉刺激频率处于4～6Hz时产生。如图2为一种典型的稳态视觉诱发电位的脑机接口系统。上述的系统利用的是脑电稳态诱发响应，通过检测诱发脑电的频率作为判别的依据。由于稳态视觉诱发电位需要的得到处于某一频率下的刺激，且要求使用者进行一定的训练，因此，该系统的实用性收到一定的影响，此外，由于稳态视觉诱发电位的诱发需要一定的时间，这样使用时很容易收到环境亮度的影响，长时间使用会造成视觉疲劳，影响系统的判别准确率。但客观地评价，现有的各种脑机接口系统都存在明显的缺陷。脑电信号是一种非常微弱的电生理信号，因此，要想借助脑电信号实现某种控制是非常困难的，特别是要在控制中达到较高的正确率，并保证有实时控制的效果，这就更加不容易。上述系统在判断的正确率与实时的效果方面都存在或大或小的问题，用上述方法的判断正确率虽优于随机猜测的正确率，但离实际应用都有相当远的距离。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统，相比于传统的P300脑机接口，N170作为早期的脑电信号处理成分，更有利于情绪脑机接口实时性研究。N170作为枕颞部位面孔识别时的较大的负波，之前的研究主要是用于区分面孔和非面孔的脑机接口研究，本专利技术将N170特异波成功用于情绪识别脑机接口。它不仅能达到很高的判断正确率，而且能保证在使用中的实时性。这套系统能够实现正负情绪分类的功能，这套系统并不需要对正负情绪刺激图片进行复杂的图像处理、而只需要以很快速度将图片呈现给用户。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统，该系统包括：(1)图片刺激器：通过人脸情绪图片刺激用户，即正负两种情绪刺激图片随机出现在显示屏上；(2)头表脑电信号采集器：利用置于人体头表的电极，记录大脑在图片刺激后产生的脑电信号，并对其进行放大、模数转换，以数字形式存储在计算机中；(3)人脸识别特异性波N170检测器：对采集得到的脑电信号进行预处理，从中提取与人脸正负情绪图片刺激相对应的特异性脑电成分N170；(4)正负情绪分类器：对正情绪和负情绪特异性N170脑电信号进行分类，建立当前用户正负情绪模型，然后将其转化为控制命令，用于控制情绪音乐的播放；(5)情绪音乐播放器：通过分类器的结果，将设备转化为控制命令，完成对正负情绪音乐的播放；(6)情绪调节器：通过与用户的正负情绪模型相匹配，检测出当前用户情绪状态，对其进行相应的情绪调节；其中，人脸识别特异性波N170检测器包括：脑电信号预处理模块：对脑电信号进行基线校准、去噪和平滑滤波；脑电信号特征提取模块：通过配对t检验(pairedt-test)提取出正负情绪差异明显的trail段以及电极，然后采用特征提取窗口提取出带有正负情绪的N170脑电信号；脑电信号分类模块：采用支持向量机，对正负情绪的N170脑电信号进行分类。进一步，所述图片刺激器每隔500毫秒，将正负两种情绪刺激图片随机出现显示屏上，每次图片呈现时间为500毫秒；要求用户在正性和负性人脸情绪图片刺激下做出相应的反应，即当人脸情绪图片为正性情绪时，要求用户按下1键，为负性情绪时按下3键。进一步，所述头表脑电信号采集器包括：64导NeuroScan本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统，其特征在于：该系统包括：(1)图片刺激器：通过人脸情绪图片刺激用户，即正负两种情绪刺激图片随机出现在显示屏上；(2)头表脑电信号采集器：利用置于人体头表的电极，记录大脑在图片刺激后产生的脑电信号，并对其进行放大、模数转换，以数字形式存储在计算机中；(3)人脸识别特异性波N170检测器：对采集得到的脑电信号进行预处理，从中提取与人脸正负情绪图片刺激相对应的特异性脑电成分N170；(4)正负情绪分类器：对正情绪和负情绪特异性N170脑电信号进行分类，建立当前用户正负情绪模型，然后将其转化为控制命令，用于控制情绪音乐的播放；(5)情绪音乐播放器：通过分类器的结果，将设备转化为控制命令，完成对正负情绪音乐的播放；(6)情绪调节器：通过与用户的正负情绪模型相匹配，检测出当前用户情绪状态，对其进行相应的情绪调节；其中，人脸识别特异性波N170检测器包括：脑电信号预处理模块：对脑电信号进行基线校准、去噪和平滑滤波；脑电信号特征提取模块：通过配对t检验(paired t‑test)提取出正负情绪差异明显的trail段以及电极，然后采用特征提取窗口提取出带有正负情绪的N170脑电信号；脑电信号分类模块：采用支持向量机，对正负情绪的N170脑电信号进行分类。...

【技术特征摘要】
1.基于人脸识别脑电N170成分的情绪脑机接口系统，其特征在于：该系统包括：(1)图片刺激器：通过人脸情绪图片刺激用户，即正负两种情绪刺激图片随机出现在显示屏上；(2)头表脑电信号采集器：利用置于人体头表的电极，记录大脑在图片刺激后产生的脑电信号，并对其进行放大、模数转换，以数字形式存储在计算机中；(3)人脸识别特异性波N170检测器：对采集得到的脑电信号进行预处理，从中提取与人脸正负情绪图片刺激相对应的特异性脑电成分N170；(4)正负情绪分类器：对正情绪和负情绪特异性N170脑电信号进行分类，建立当前用户正负情绪模型，然后将其转化为控制命令，用于控制情绪音乐的播放；(5)情绪音乐播放器：通过分类器的结果，将设备转化为控制命令，完成对正负情绪音乐的播放；(6)情绪调节器：通过与用户的正负情绪模型相匹配，检测出当前用户情绪状态，对其进行相应的情绪调节；其中，人脸识别特异性波N170检测器包括：脑电信号预处理模块：对脑电信号进行基线校准、去噪和平滑滤波；脑电信号特征提取模块：通过配对t检验(pairedt-test)提取出正负情绪差异明显的trail段以及电极，然后采用特征提取窗...

【专利技术属性】
技术研发人员：田银，张慧玲，杨利，张海勇，马亮，史玉盼，王彦文，巫煜杉，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50