CN105578239A - 一种基于脑-机接口技术的电视控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,包括:脑波信号采集器、Android手机和ARM处理器,脑波信号采集器用来采集使用者大脑产生的稳态视觉诱发信号,并将采集到的稳态视觉诱发信号以无线方式发送到Android手机;Android手机用来刺激使用者的视觉和对接收到的稳态视觉诱发信号进行分析处理,并将控制命令以无线方式发送到ARM处理器;ARM处理器用来转换指令,其接收到控制命令后发送相应的红外信号给电视机顶盒,完成一次控制动作。本发明的有益之处在于:***由脑波信号采集器、Android手机和ARM处理器组成,模块化程度高;用Android手机替代传统的视觉刺激器和PC机,尺寸小、可移动性好、开发成本低;以机顶盒作为控制目标,实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种电视控制***,具体涉及一种基于脑-机接口技术的电视控制***。
背景技术
脑-机接口(Brain-computerinterface,BCI)技术作为一种实现大脑和外部设备(计算机或外界环境等)之间的信息直接通信技术,近年来得到了突飞猛进的发展,已经在生物医学、虚拟现实、游戏娱乐、康复工程等领域体现出重要的价值。
目前大多脑-机接口***(简称BCI***)均是以PC机结合医用脑波测试仪进行开发的,***由视觉刺激器、PC机以及脑波测试仪三大部分组成,这样的***主要存在以下一些问题:
1、传统的BCI***大都采用闪烁的二极管或者显示器来产生视觉刺激,视觉刺激器的尺寸较大,可移动性较差,所以不利于BCI***的实际应用。
2、由于使用PC机做数据分析、利用LED做刺激模块,所以使得***分散且庞大。
3、PC机与下位机的通信依赖于串口线,整体体积和质量也较大,所以不利于移动和携带。
4、以往的设计只是实验性的技术研究,例如:利用BCI***做些简单的控制、移动电脑显示屏光标等,而更加具有实用性的功能还未研究。
如何简化BCI***的结构,使其体积减小、重量减轻、便于移动和携带,是一项非常重要的研究课题。
此外,如何提高BCI***的实用性,使其更好的为重症患者服务,也是一项十分具有挑战性的研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脑-机接口技术的电视控制***,该控制***以广电的机顶盒作为控制目标,其不仅具有极强的实用性,可以更好的为重症患者服务,而且整体结构得到极大简化,体积减小、重量减轻,便于移动和携带。
为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:
一种基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,包括:脑波信号采集器、Android手机和ARM处理器,
前述脑波信号采集器用来采集使用者大脑产生的稳态视觉诱发信号,并将采集到的稳态视觉诱发信号以无线方式发送到Android手机,
前述Android手机用来刺激使用者的视觉和对接收到的稳态视觉诱发信号进行分析处理,并将控制命令以无线方式发送到ARM处理器,
前述ARM处理器用来转换指令,其接收到控制命令后发送相应的红外信号给电视机顶盒,完成一次控制动作。
前述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,前述脑波信号采集器包括:EEG信号采集单元、数字信号处理单元和采集器蓝牙发送接口,
前述EEG信号采集单元具有三个电极,第一电极作为测试电极,采集枕叶区的脑波电位;第二电极作为参考电极,采集顶叶区的自发脑波电位;第三电极作为脑波地线,连接在人体的耳部;
前述数字信号处理单元用于对EEG信号采集单元采集到的微弱信号进行放大、滤波和AD转换;
前述采集器蓝牙发送接口用于将数字信号处理单元处理完毕的数据发送出去。
前述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,前述数字信号处理单元采用的是NeuroSky芯片。
前述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,在前述Android手机的屏幕上,一级页面呈现有分别指示“开”、“关”、“节目”、“音量”的四幅以不同的频率闪烁的指示图像,前述指示“节目”的指示图像还带有二级页面,前述二级页面呈现有分别指示“节目加”、“节目减”和“返回”的三幅以不同的频率闪烁的指示图像,前述指示“音量”的指示图像也带有二级页面,前述二级页面呈现有分别指示“音量加”、“音量减”和“返回”的三幅以不同的频率闪烁的指示图像。
前述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,指示“开”的图像以6hz的频率闪烁,指示“关”的图像以9hz的频率闪烁,指示“节目”的图像以11hz的频率闪烁,指示“音量”的图像以7hz的频率闪烁。
前述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,前述Android手机自带有手机蓝牙接收接口和手机蓝牙发送接口,前述Android手机上还安装有用来处理EEG信号的应用程序,前述应用程序主要包括两大功能模块:快速傅立叶变换模块、特征提取与分类模块,
前述快速傅立叶变换模块用于将Android手机接收到的时域的信号变换为频域的信号;
前述特征提取与分类模块用于对频域的信号进行特征提取与识别,得到此时使用者大脑诱发出的频率。
前述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,前述ARM处理器包括:处理器蓝牙接收接口和红外信号发射单元,前述红外信号发射单元接收到处理器蓝牙接收接口传输来的命令后,将命令转换为相应的红外信号,并将红外信号发送给电视机顶盒。
本发明的有益之处在于:
(1)整个控制***由脑波信号采集器、Android手机和ARM处理器三个相对独立的部分组成,模块化程度高,十分有利于制造和使用,生产成本和使用成本都降低;
(2)用Android手机替代传统的视觉刺激器和PC机,不仅尺寸大大减小,可移动性得到极大的提升,而且有效降低了硬件***的复杂度,减少了硬件开发成本,这对于BCI***的实际应用极为有利;
(3)电视是家居最常用的设备,以广电的机顶盒作为控制目标,具有很强的实用性;
(4)可扩展性强,可以融入跨平台的各种家居电器甚至可以发展为智能家居***;
(5)Android处理速度很快,屏幕刷新速度几乎对刺激模块不产生影响。
附图说明
图1(a)是机顶盒遥控器发射的完整波形;
图1(b)是机顶盒遥控器发射的引导码波形;
图1(c)是二进制“0”的发射波形;
图1(d)是二进制“1”的发射波形;
图2是机顶盒解码流程;
图3是本发明的电视控制***的组成示意图;
图4是本发明的电视控制***控制机顶盒的过程。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明的控制***以广电的机顶盒作为控制目标,由于机顶盒的遥控的编码格式兼容,所以控制目标广泛。
由于广电的机顶盒遥控器的编码采用32位,所以需要对机顶盒遥控器遥控码进行解码。
一般的红外遥控***都是由三部分构成:红外遥控信号发射器、红外遥控信号接收器、微控制器及其***电路。
其中,红外遥控信号发射器用来产生遥控编码脉冲。驱动红外发射管输出红外遥控信号,遥控接受头对遥控信号进行放大、检波、整形,最后解调出遥控编码脉冲。
大多数遥控编码脉冲信号都是调制在38KHZ的方波上,经过缓冲放大后送至红外发光二极管,转化为红外信号发射出去。
编码格式:数据格式包括了引导码、用户码、数据码和数据码反码,编码总占32位。数据反码是数据码反相后的编码,编码时可用于对数据的纠错。注意:第二段的用户码也可以在遥控应用电路中被设置成第一段用户码的反码。
图1(a)至图1(d)给出了机顶盒遥控器的发射波形。其中,图1(a)为发射的完整波形,图1(b)为发射的引导码波形,图1(c)为二进制“0”的发射波形,图1(d)为二进制“1”的发射波形。
由图1(a)至图1(d)我们可知:无论是0信号还是1信号,它们的低电平持续时间都是相同的,但它们的高电平持续时间是不同的,可以根据脉冲的高电平持续时间来识别当前接受到的信号是处于引导码,还是位“0”或位“1”。
基于此规则,参照图2,机顶盒的解码流程如下:
ARM处理器接受红外波形,获取高电平时间,然后将获取的高电平时间与设定的几个阈值进行比较:
(1)如果高电平时间大于或等于5.0ms,则当前信号为无效信号,否则执行步骤(2)继续比较;
(2)如果高电平时间大于4.0ms,则当前信号为起始信号,否则执行步骤(3)继续比较;
(3)如果高电平时间大于1.2ms并且小于1.8ms,则当前信号为1信号,否则执行步骤(4)继续比较;
(4)如果高电平时间大于0.2ms并且小于1.0ms,则当前信号为0信号,否则为无效信号。
机顶盒的用户码为16位,当机顶盒收到起始信号后,会判断是否接收到了32位数据,如果接收够了32位则停止接收,如果没有接收够32位则继续接收,并且将数据向左移位。
接下来,介绍本发明的电视控制***的组成。
参照图3,本发明的电视控制***包括:脑波信号采集器、Android手机和ARM处理器。
一、脑波信号采集器
人脑每个细胞都包含有一个巨大的电化复合体和功能强大的微数据处理及传递***,大脑工作时,神经细胞中离子运动的运动产生电流,大脑150亿的神经元(脑细胞)不断释放出微电流。大脑总的电流活动情况可以用脑电分析仪(EEG)测量记录下来,这种大脑电流活动的形态各不相同,有快有慢,由此产生了各种频率的脑电波。
国际脑波协会针对脑波的振动频率不同,将脑波分为α脑波、β脑波、θ脑波、δ脑波四种波段。
我们采用的是α脑波和θ脑波。
脑波信号采集器用来采集使用者大脑产生的稳态视觉诱发信号,并将采集到的稳态视觉诱发信号以无线方式发送到Android手机。
脑波信号采集器包括:EEG信号采集单元、数字信号处理单元和采集器蓝牙发送接口。
1、EEG信号采集单元
EEG信号采集单元具有三个电极,分别是:第一电极、第二电极和第三电极,三个电极均采用Ag/Ag合金制成,并且固定在头套上。
第一电极作为测试电极,采集枕叶区的脑波电位。
第二电极作为参考电极,采集顶叶区的自发脑波电位。由于我们要得到的是视觉诱发电位,所以必须对自发式脑电波进行滤除,大量诱发电位在大脑的枕叶区检测到,顶叶较少,因此把顶叶区作为参考电位点可以有效的滤除自发式脑电波。
第三电极作为脑波地线,连接在人体的耳部,这样可以屏蔽人体头部以下电波对试验的影响,例如心电就是一种比较强的干扰,脑波地的连接可以有效的滤除心电。
2、数字信号处理单元
数字信号处理单元用于对EEG信号采集单元采集到的微弱信号进行放大、滤波和AD转换。
在本实施例中,数字信号处理单元采用的是NeuroSky芯片。
3、采集器蓝牙发送接口
采集器蓝牙发送接口用于将数字信号处理单元处理完毕的数据发送出去。该接口可以选用HL-MD08R-C2A蓝牙。
二、Android手机
Android手机有两大功能:刺激使用者的视觉、分析处理信号。
1、刺激使用者的视觉
Android手机的屏幕上呈现有分别指示“开”、“关”、“节目”、“音量”的四幅指示图像,该四幅指示图像以不同的频率闪烁(利用JAVA语言中消息机制的延迟推送特性,在程序中延迟更改布尔函数的值来实现不同图片的显示,从而完成不同频率刺激块闪烁的任务)。其中,指示“开”的图像以6hz的频率闪烁,指示“关”的图像以9hz的频率闪烁,指示“节目”的图像以11hz的频率闪烁,指示“音量”的图像以7hz的频率闪烁。
由于我们采用的是α脑波和θ脑波,所以,我们将Android手机的屏幕上呈现的四幅指示图像的闪烁频率分别设定为6hz、7hz、9hz和11hz,根据使用者看到的不同频率的刺激块,大脑枕叶区会产生不同的对应的脑电波,以便检测出可靠的视觉诱发电位,并能明确地表示出选择信息,便于区别使用者可能做出的不同选择,尽可能让使用者更易接受,而不易产生视觉疲劳。
传统的视觉刺激器可分为两类:二极管、LED显示器。通常用多个刺激模块来对应使用者不同的选择或者控制信息,要求刺激器有稳定的频率以便采集到稳定的脑电信号。
目前,大多BCI***使用LED显示器作为视觉刺激器这种视觉刺激器,往往尺寸较大,可移动性较差,不利于BCI***的实际应用。
而在本发明中,我们采用Android手机来替代传统的视觉刺激器,不仅尺寸大大减小,可移动性得到极大的提升,而且有效降低了硬件***的复杂度,减少了硬件开发成本,这对于BCI***的实际应用极为有利。
2、分析处理信号
在本发明中,Android手机可以对接收到的稳态视觉诱发信号进行分析处理,并将控制命令以无线方式发送到ARM处理器。
Android手机自带有手机蓝牙接收接口(内置)和手机蓝牙发送接口(内置),前者用于接收脑波信号采集器发送过来的数据,后者用于将Android手机的指令发送出去。
Android手机上还安装有用来处理EEG信号的应用程序,该应用程序主要包括两大功能模块:快速傅立叶变换模块、特征提取与分类模块。
(1)快速傅立叶变换模块
快速傅立叶变换模块用于将Android手机接收到的时域的信号变换为频域的信号。
(2)特征提取与分类模块
特征提取与分类模块用于对频域的信号进行特征提取与识别,得到此时使用者大脑诱发出的频率,例如:使用者当前看的是指示“开”的图像(以6hz的频率闪烁),那么经特征提取与分类模块提取后识别的使用者大脑诱发出的频率便是6hz,这样就能得到使用者此时的意图。
在本发明中,Android手机实现了将视觉刺激器与PC机合二为一,不仅有效降低了硬件***的复杂度,而且有效减少了硬件的开发成本。
三、ARM处理器
ARM处理器用来转换指令,其接收到控制命令后发送相应的红外信号给电视机顶盒,完成一次控制动作。
ARM处理器包括:处理器蓝牙接收接口和红外信号发射单元,其中,红外信号发射单元接收到处理器蓝牙接收接口传输来的命令后,将命令转换为相应的红外信号,并将红外信号发送给电视机顶盒。
参照图4,利用本发明的电视控制***控制机顶盒的过程如下:
使用者戴好头套,打开Android手机上安装的用来处理EEG信号的应用程序,双眼盯着Android手机上以特定频率闪烁的指示图像(刺激块),如果使用者现在要打开电视,则使用者就盯视着Android手机上指示“开”的图像,该图像以6Hz的频率进行闪烁,通过眼睛会诱发脑波的共振,在大脑皮层枕叶区产生与刺激信号相对应频率的微弱诱发电位,脑波信号采集器从使用者枕叶区提取的脑波信号经过预处理后传给Android手机,Android手机进行快速傅里叶变换后得到一个6Hz的频率值(此频率值是与使用者所盯视的闪烁图像的频率是相同的),此时Android手机就会向ARM处理器发送一个特定信号,ARM处理器接受到信号后将电视开的遥控码发射出去,这样就完成了电视开的动作。
电视关的方法与电视开类似。
假如要加减节目,使用者用眼睛盯着“节目”的闪烁图像,然后大脑产生11hz的诱发信号,该信号被送到Android手机处理后,就会进入“节目加”、“节目减”与“返回”的页面,如果使用者想加节目,双眼看着“节目加”的闪烁图像,诱发后就会实现“加节目”的功能,如果使用者想返回,双眼看着“返回”的闪烁图像,诱发后就会实现“返回”的功能。
假如要调节音量加减,使用者用眼睛盯着“音量”的闪烁图像,然后大脑产生7hz的诱发信号,该信号被送到Android手机处理后,就会进入“音量加”、“音量减”与“返回”的页面,如果使用者想加音量,双眼看着“音量加”的闪烁图像,诱发后就会实现“加音量”的功能,如果使用者想返回,双眼看着“返回”的闪烁图像,诱发后就会实现“返回”的功能。
需要说明的是,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,包括:脑波信号采集器、Android手机和ARM处理器,
所述脑波信号采集器用来采集使用者大脑产生的稳态视觉诱发信号,并将采集到的稳态视觉诱发信号以无线方式发送到Android手机,
所述Android手机用来刺激使用者的视觉和对接收到的稳态视觉诱发信号进行分析处理,并将控制命令以无线方式发送到ARM处理器,
所述ARM处理器用来转换指令,其接收到控制命令后发送相应的红外信号给电视机顶盒,完成一次控制动作。
2.根据权利要求1所述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,所述脑波信号采集器包括:EEG信号采集单元、数字信号处理单元和采集器蓝牙发送接口,
所述EEG信号采集单元具有三个电极,第一电极作为测试电极,采集枕叶区的脑波电位;第二电极作为参考电极,采集顶叶区的自发脑波电位;第三电极作为脑波地线,连接在人体的耳部;
所述数字信号处理单元用于对EEG信号采集单元采集到的微弱信号进行放大、滤波和AD转换;
所述采集器蓝牙发送接口用于将数字信号处理单元处理完毕的数据发送出去。
3.根据权利要求2所述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,所述数字信号处理单元采用的是NeuroSky芯片。
4.根据权利要求1所述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,在所述Android手机的屏幕上,一级页面呈现有分别指示“开”、“关”、“节目”、“音量”的四幅以不同的频率闪烁的指示图像,所述指示“节目”的指示图像还带有二级页面,所述二级页面呈现有分别指示“节目加”、“节目减”和“返回”的三幅以不同的频率闪烁的指示图像,所述指示“音量”的指示图像也带有二级页面,所述二级页面呈现有分别指示“音量加”、“音量减”和“返回”的三幅以不同的频率闪烁的指示图像。
5.根据权利要求4所述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,指示“开”的图像以6hz的频率闪烁,指示“关”的图像以9hz的频率闪烁,指示“节目”的图像以11hz的频率闪烁,指示“音量”的图像以7hz的频率闪烁。
6.根据权利要求1所述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,所述Android手机自带有手机蓝牙接收接口和手机蓝牙发送接口,所述Android手机上还安装有用来处理EEG信号的应用程序,所述应用程序主要包括两大功能模块:快速傅立叶变换模块、特征提取与分类模块,
所述快速傅立叶变换模块用于将Android手机接收到的时域的信号变换为频域的信号;
所述特征提取与分类模块用于对频域的信号进行特征提取与识别,得到此时使用者大脑诱发出的频率。
7.根据权利要求1所述的基于脑-机接口技术的电视控制***,其特征在于,所述ARM处理器包括:处理器蓝牙接收接口和红外信号发射单元,所述红外信号发射单元接收到处理器蓝牙接收接口传输来的命令后,将命令转换为相应的红外信号,并将红外信号发送给电视机顶盒。
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- 2015-12-16 CN CN201510944851.6A patent/CN105578239A/zh active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160511 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |