一种基于脑机接口的在线半监督文字输入系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于脑机接口的在线半监督文字输入系统及方法，该系统包括脑电信号采集系统，用于采集用户脑电信号，并对采集到的脑电信号进行处理；信号处理模块，用于将采集的脑电信号进行低通滤波、次数平均和下采样处理，然后将电极帽所有通道的数据依次串接起来构成一个样本特征向量；在线分类模块，用于根据信号处理模块提取的特征，对最小二乘支持向量机分类器进行在线更新并用其进行在线分类；视觉刺激界面，用于诱发用户产生P300信号，并且在该界面上显示用户需要输入的字符，显示最小二乘支持向量机分类器预测的结果。本发明专利技术大大减少了用户使用系统之前的训练时间，并且具有准确度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该系统包括脑电信号采集系统，用于采集用户脑电信号，并对采集到的脑电信号进行处理；信号处理模块，用于将采集的脑电信号进行低通滤波、次数平均和下采样处理，然后将电极帽所有通道的数据依次串接起来构成一个样本特征向量；在线分类模块，用于根据信号处理模块提取的特征，对最小二乘支持向量机分类器进行在线更新并用其进行在线分类；视觉刺激界面，用于诱发用户产生P300信号，并且在该界面上显示用户需要输入的字符，显示最小二乘支持向量机分类器预测的结果。本专利技术大大减少了用户使用系统之前的训练时间，并且具有准确度高的优点。【专利说明】
本专利技术涉及脑机接口领域，特别涉及。
技术介绍
脑机接口是在人脑和外界之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路(外围神经和肌肉组织)的一种通信系统。通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达思想或操作其它设备，而不需要通过语言或肢体的动作，是一种全新的通讯和控制方式。特别是，近年来脑科学、计算机科学、信号处理技术的飞速发展以及残疾人需求意识的不断提高，使得脑机接口技术不断发展。脑机接口技术的研究具有重要的意义，并且具有多方面的用途。一个重要用途是能够为思维正常但有运动功能障碍的人如严重脊髓损伤等或者有语言功能障碍的人提供与他人交流的机会；它还可以为人们提供不需要人为操作的新的人机通讯方式和控制方式；脑机接口同时能够通过包含的精神和状态信息丰富游戏的趣味性，增加用户游戏的体验度等。目前我国60岁人口已经达到I. 34亿，残疾人口也达到5千多万，这对我国对老年人和残疾人的服务保障提出了新的挑战。迫切需要相应方面的研究，来提高老年人或者残疾人的自理能力和生活质量，让他们更好的享受生活、体验生活。其中针对于具有运动障碍及语音障碍的用户与外界通信最常用的交流方式就是文字，用户通过脑机接口在计算机输入其所想表达的文字，以发送信息或控制外部设备做出相应的操作。现有的基于脑机接口的文字输入系统在使用之前要经过较长时间的训练，因为在这过程中需要采集足够的有标签数据训练分类器，这个时间可能需要数分钟或者更长。另外在某些情况下，同一个用户的不同使用阶段脑电信号发生变化，就需要对分类器进行重新的间歇性训练或矫正(此时中断用户的使用)，否则分类器的性能就会下降。而进行重新的间歇性训练就会中断用户的使用，降低了使用效率。现有的脑机接口系统包括有监督学习和半监督学习的方式。有监督学习就是利用有标签数据对分类器进行训练，该方式在训练过程中要利用采集到的所有数据(要经过特征提取的特征向量）以及它们的标签对分类器进行训练，得到一个分类器。这个过程就需要得到所有有标签数据之后才能够训练分类器。从用户的角度来看，用户就不能够自由输入字符，他就要按照要求进行训练。一般要得到一个好的分类器，即对特征向量预测要足够准确，就需要有大量的样本特征向量进行训练。所以一般的这种字符输入脑机接口系统就是首先要给用户带上电极帽，按照系统提示注视目标字符，由系统去采集数据。一般需要采集20个目标字符以上(就是训练阶段用户要按照系统提示的字符去注视20个字符以上）的数据，之后系统就会利用所有这些有标签特征向量对分类器进行训练，因此这个训练过程的时间就很长；并且这种方式的数据量很大，计算过程就会很长。之后系统还要对这些数据进行特征提取后对分类器进行训练。在用户真正能够使用系统后，就是利用这个已经训练好的分类器对特征向量进行分类，将结果反馈给用户。现有传统的大多数半监督脑机接口需要经过初始训练来收集有标签数据，但是相对更长的时间来收集无标签数据。分类器就是利用这两种类型的数据来进行训练。从用户的角度来看，在用户可以使用这种系统之前，整个的训练时间就不但包括对有标签数据的采集，也包括对无标签数据的采集。因此，对于用户来讲，现有传统的半监督学习也就没有最小化整个的训练时间，实际上现有的这种半监学习和有监督学习时间差不多，只是利用两种类型的数据，因为某些情况下有标签数据不容易获取。这种方式是一种离线的方式，因为系统需要采集完所有的少量有标签数据和所有的无标签数据后，利用这些少量有标签数据和他们的标签以及无标签数据，才能对分类器进行训练，得到分类器。在这个过程中，系统不能交由用户使用，系统只能来采集这些数据，训练分类器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于脑机接口的在线半监督文字输入系统。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于脑机接口的在线半监督文字输入方法。能够大大减少用户使用该系统之前的训练时间，并且具有准确度高的优点。本专利技术的第一个目的通过下述技术方案实现：一种基于脑机接口的在线半监督文字输入系统，包括脑电信号采集系统，用于采集用户脑电信号，并对采集到的脑电信号进行处理；信号处理模块，用于将采集的脑电信号进行低通滤波、次数平均和下采样处理，然后将电极帽所有通道的数据依次串接起来构成一个样本特征向量；在线分类模块，用于根据信号处理模块提取的特征，对最小二乘支持向量机分类器进行在线更新并用其进行在线分类；视觉刺激界面，用于诱发用户产生P300信号，并且在该界面上显示用户需要输入的字符，显示最小二乘支持向量机分类器预测的结果。优选的，所述视觉刺激界面上总共包含有40个字符，以4行10列的矩阵形式显示在计算机的屏幕上展示给用户。优选的，所述视觉刺激界面上包含有两个编辑框，其中一个编辑框中显示用户训练阶段所要输入的系统的字符；另一个编辑框用于反馈显示用户在输入模式下所输入的字符。本专利技术的第二个目的通过下述技术方案实现：一种基于脑机接口的在线半监督文字输入方法，包括系统初始化步骤、系统监督训练步骤和系统文字输入步骤：系统初始化：用户带上与计算机连接的电极帽，开启计算机屏幕的视觉刺激界面，在计算机屏幕视觉刺激界面上显示字符；其中每个字符按照随机顺序闪烁，设定在用户输入一个字符过程中，每个字符重复闪烁A次，相邻字符闪烁的时间间隔为C秒，相邻两个字符输入的时间间隔为B秒；系统监督训练： (I)系统随机选取m个目标字符，并提示用户输入这m个目标字符，用户注视需要输入的目标字符；在用户注视目标字符期间，计算机对用户的脑电信号数据进行采集；(2)将采集的脑电信号进行低通滤波、次数平均和下采样处理，然后将电极帽所有通道的数据依次串接起来构成一个样本特征向量；(3)将目标字符对应的特征向量标记为+1，将其它字符对应的特征向量标记为-I ;然后采用这些特征向量及其对应标签的训练数据集建立初始最小二乘支持向量机分类器；系统文字输入：(a)首先系统转换为用户输入模式，用户注视界面中其要输入的字符，计算机对用户的脑电信号数据进行采集；( b )将采集到的脑电信号进行低通滤波、平均和下采样处理后，提取每个字符的特征向量，形成称为块的数据集；(C)计算当前块中每个字符特征向量对应于当前最小二乘支持向量机分类器的隐含变量值，将隐含变量值最大的特征向量对应的标签标记为+1，其它特征向量对应的标签标记为-1，作为它们的预测标签；(d)根据各特征向量和各特征向量当前的预测标签对最小二乘支持向量机分类器进行在线更新；重新计算当前块中每个字符特征向量对应于更新后的最小二乘支持向量机分类器的隐含变量值，将隐含变量值最大的特征向量对应的标签标记为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脑机接口的在线半监督文字输入系统，其特征在于：包括脑电信号采集系统，用于采集用户脑电信号，并对采集到的脑电信号进行处理；信号处理模块，用于将采集的脑电信号进行低通滤波、次数平均和下采样处理，然后将电极帽所有通道的数据依次串接起来构成一个样本特征向量；在线分类模块，用于根据信号处理模块提取的特征，对最小二乘支持向量机分类器进行在线更新并用其进行在线分类；视觉刺激界面，用于诱发用户产生P300信号，并且在该界面上显示用户需要输入的字符，显示最小二乘支持向量机分类器预测的结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾正晖，张锦涛，俞祝良，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：