專(zhuān)利名稱(chēng)：基于視覺(jué)誘發(fā)p3腦電的身份識(shí)別的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于腦電的身份識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別是基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電的身份識(shí)別。
背景技術(shù)：
P3自Sutton等人發(fā)現(xiàn)后，便引起了人們廣泛的注意，被認(rèn)為是了解認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)的最主要信息來(lái)源和評(píng)價(jià)腦功能狀態(tài)的客觀指標(biāo)，是“窺視”心理活動(dòng)內(nèi)容的一個(gè)“窗口 ”。 因?yàn)樽畛醢l(fā)現(xiàn)是出現(xiàn)在刺激后300ms左右，因而也將這種成分叫做P300。在發(fā)現(xiàn)P3之后， 人們很快對(duì)它的相關(guān)心理因素進(jìn)行了大量研究，使P3成為事件相關(guān)電位(ERP)中研究量最大、研究持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣的成分。P3最初是由經(jīng)典的Oddball實(shí)驗(yàn)范式誘發(fā)產(chǎn)生的，其基本原理是對(duì)同一感覺(jué)通路的一系列刺激由兩種刺激組成，一種刺激出現(xiàn)的概率較大(如85% )，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)刺激；另一種刺激出現(xiàn)的概率較小(如15% )，稱(chēng)為偏差刺激。兩種刺激出現(xiàn)的順序是隨機(jī)的。當(dāng)偏差刺激出現(xiàn)時(shí)，讓被試記憶其數(shù)目，或者盡快按鍵。此時(shí)， 偏差刺激就成為了靶刺激，在其后300ms左右觀察到一個(gè)正波，即為P3。P3的誘發(fā)方式有很多，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、體感等，本發(fā)明的P3腦電是基于視覺(jué)誘發(fā)的。視覺(jué)誘發(fā)P3的一個(gè)典型應(yīng)用是字符拼寫(xiě)(P3-SpelIer)，最早由Farwell和Donchin提出并運(yùn)用于BCI系統(tǒng)中。在幫助運(yùn)動(dòng)障礙的殘疾人完成字符輸入、與外界進(jìn)行交流以及控制外部設(shè)備等發(fā)面做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是P3-Speller的研究中，迄今為止鮮有報(bào)道用不同人的P3實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的字符輸入。事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題在很早以前就引起了研究者的關(guān)注，第 III屆BCI大賽中具有突出表現(xiàn)的Alain Rakotomamonjy曾在他的文章中提到為使BCI字符輸入技術(shù)能夠更加有效的服務(wù)于病人，實(shí)現(xiàn)無(wú)需訓(xùn)練的、跨人(inter-subject)的識(shí)別是非常重要的。具體來(lái)講，就是用被試A的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練分類(lèi)器，再用被試B的數(shù)據(jù)在訓(xùn)練好的分類(lèi)器上進(jìn)行測(cè)試，如果能得到相似水平的字符識(shí)別效果，那將是一個(gè)重大的突破。然而遺憾的是，作者坦言，就當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)和技術(shù)而言，進(jìn)行這樣跨人的識(shí)別只能得到26%的正確率，可見(jiàn)難度之大。但是，這個(gè)結(jié)果也從另一個(gè)角度反映了 P3顯著的個(gè)體差異性。正是利用這一特性，本發(fā)明提出了基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別的方法。傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法主要是通過(guò)身份標(biāo)識(shí)物品(如鑰匙、證件、銀行卡等)和身份標(biāo)識(shí)信息(如用戶(hù)名和密碼)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一旦這些“身外之物”被盜用或丟失，其身份就容易被他人冒充或取代，較低的可靠性顯然已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的需要。于是一種新型的身份識(shí)別方法孕育而生，那就是生物特征識(shí)別，近年來(lái)受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。生物特征識(shí)別的確切定義是通過(guò)計(jì)算機(jī)利用人體所固有的生理特征或行為特征來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份識(shí)別的一種技術(shù)。其中生理特征與身體形態(tài)相關(guān)，如DNA，指紋，人臉，聲音，掌形，手部紋理， 虹膜，視網(wǎng)膜，耳廓形狀，體味，掌印等；而行為特征與人的外在行為規(guī)律相關(guān)，比如字跡，步態(tài)等，以及近些年來(lái)新提出的擊鍵力度和節(jié)律等。從信息科學(xué)角度來(lái)看，生物特征識(shí)別屬于傳統(tǒng)的模式識(shí)別問(wèn)題，它不依賴(lài)各種人造的和附加的物品，認(rèn)定的是人本身。每個(gè)人的生物特征具有與其他人不同的唯一性和在一定時(shí)期內(nèi)不變的穩(wěn)定性，不易偽造和假冒，所以利用生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，具有安全、可靠、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它很大程度的依賴(lài)于計(jì)算機(jī)技術(shù)，所以可以很方便地集成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，大大節(jié)省了人力資源。然而，生物特征識(shí)別技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，比如指紋、聲音、視網(wǎng)膜等，在嚴(yán)格意義上講并不具備普遍性，而且可能會(huì)遭到有形損害。如手部燒傷可能造成指紋破壞；人臉圖像無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙胞胎的識(shí)別；聲音很容易被仿真；視網(wǎng)膜脫落導(dǎo)致其識(shí)別功能喪失等。而且使用較廣的指紋、人臉、虹膜及掌形識(shí)別等生物識(shí)別技術(shù)，大多需要被監(jiān)測(cè)對(duì)象的配合，有時(shí)甚至需要被監(jiān)測(cè)對(duì)象完成必要的動(dòng)作才能實(shí)現(xiàn)，不易被用戶(hù)接受。此外，生物特征偽造成為現(xiàn)今普遍的犯罪活動(dòng)之一，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的安全隱患。研究顯示，用明膠制成的假手指就可以輕而易舉地騙過(guò)指紋識(shí)別系統(tǒng)，患白內(nèi)障的人虹膜會(huì)發(fā)生變化，在隱形眼鏡上蝕刻出的虛假虹膜特征也可以讓虹膜識(shí)別系統(tǒng)真假難辨等等。犯罪手段的不斷智能化、科技化，對(duì)傳統(tǒng)生物特征識(shí)別技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也需要不斷探索新的生物特征識(shí)別手段。作為一種新型的生物特征，腦電具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在(1)普遍性強(qiáng)。每一個(gè)活體和具有生命功能的個(gè)體都能記錄到腦電信號(hào)，只要大腦不停歇，腦電信號(hào)每時(shí)每刻都在產(chǎn)生，因而腦電具有較高的普遍性；(2)相對(duì)穩(wěn)定。腦損傷的發(fā)生率極低，因而腦電是一種在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)穩(wěn)定存在的特征；(3)特異性強(qiáng)。據(jù)估計(jì)，人類(lèi)的大腦中包含有多達(dá)IO11個(gè)神經(jīng)元和IO15個(gè)突觸，因而可以說(shuō)每個(gè)人的大腦構(gòu)造各不相同，產(chǎn)生的腦電也千差萬(wàn)別，符合個(gè)體間差異性大的要求。(4)難以復(fù)制和偽造。腦電是依賴(lài)于個(gè)體內(nèi)部心理任務(wù)的映射，與精神活動(dòng)密切相關(guān)，具有高度的個(gè)體依賴(lài)性。腦電的精確復(fù)制是一個(gè)極其復(fù)雜甚至幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)， 這一觀點(diǎn)得到絕大多數(shù)研究者的認(rèn)可，至今還沒(méi)有在任何文獻(xiàn)中被否認(rèn)過(guò)；(5)僅存在于活體中，避免體外模仿。目前已有“假指紋”、“假虹膜”等的相關(guān)報(bào)道，嚴(yán)重威脅著生物特征識(shí)別的可靠性。這類(lèi)仿造之所以容易實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)檫@些特征都暴露于身體外部或表層。與之相反，腦電是由大腦皮層神經(jīng)元電活動(dòng)產(chǎn)生的，存在于活體內(nèi)部， 避免了上述問(wèn)題。(6)只能用于活體識(shí)別。以上暴露與身體之外的特征還有一個(gè)潛在的缺陷用包含特征的部分肢體(即使從活體上被肢解下來(lái))同樣可以達(dá)到識(shí)別的目的。而腦電則不存在這樣的問(wèn)題，因?yàn)樗粚?duì)活體才有意義，從而增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。(7)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)識(shí)別。傳統(tǒng)的生物特征識(shí)別都建立在“一次性”識(shí)別的假設(shè)之上， 例如門(mén)禁系統(tǒng)，銀行監(jiān)控，通行關(guān)卡等。但是換一個(gè)角度，從使用者的需求來(lái)看，這種一次性的認(rèn)證方式的安全度是較低的。與之相對(duì)，腦電可以自發(fā)的、無(wú)意識(shí)地產(chǎn)生，不需要使用者有的主動(dòng)參與，因而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的記錄和識(shí)別。(8)規(guī)避性強(qiáng)。腦電容易受到壓力和情緒的干擾，人在壓力和強(qiáng)迫之下產(chǎn)生的腦電與正常情況相差甚遠(yuǎn)。從這個(gè)意義上能夠有效保護(hù)使用者的安全并提高識(shí)別的可靠性。盡管基于腦電的身份識(shí)別技術(shù)有很多潛在的優(yōu)勢(shì)，但是目前對(duì)于它的研究在國(guó)內(nèi)外均屬于起步階段，這與腦電信號(hào)本身的復(fù)雜性有關(guān)。1999年，Poulos等人首先開(kāi)始了以腦電作為一種生物特征的開(kāi)創(chuàng)性研究，提取靜息狀態(tài)下腦電的AR模型參數(shù)特征，用學(xué)習(xí)矢量量化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LVQ-NN)的方法進(jìn)行分類(lèi)，得到72%-84%的識(shí)別結(jié)果。考慮到腦電中的非線(xiàn)性成分，他改用雙線(xiàn)性模型(包括線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)刹糠?代替原來(lái)的線(xiàn)性模型，在相同數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到76% -88%識(shí)別結(jié)果。在另一項(xiàng)研究中，Poulos等人嘗試使用基于計(jì)算幾何學(xué)的分類(lèi)方法，識(shí)別率有所改善，達(dá)到95%。2001年，Paranjape等人提取不同階數(shù)的 AR模型參數(shù)特征，對(duì)來(lái)自40人的349個(gè)樣本進(jìn)行分類(lèi)，得到80%左右的識(shí)別結(jié)果?？偟恼f(shuō)來(lái)，以上開(kāi)展的這些早期工作中，用以分析的腦電信號(hào)大多來(lái)自于靜息狀態(tài)(睜眼或閉眼)。而隨著研究的不斷深入，人們對(duì)于腦電的個(gè)體差異性有了新的認(rèn)識(shí)。 2003年，有人開(kāi)始嘗試采用與任務(wù)相關(guān)的誘發(fā)腦電進(jìn)行身份識(shí)別，結(jié)果顯示較之靜息態(tài)腦電效果有明顯的改善。在I^alaniappan和Ravi的研究中，數(shù)據(jù)來(lái)自于20名被試61導(dǎo)的視覺(jué)誘發(fā)電位，使用SFA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)γ波段的功率譜特征進(jìn)行分類(lèi)，平均識(shí)別率達(dá)到94. 18%。 對(duì)上述方法加以改進(jìn)，Palaniappan和Mandic同樣采用視覺(jué)誘發(fā)電位，對(duì)40個(gè)人進(jìn)行分類(lèi)，達(dá)到98%的識(shí)別結(jié)果。為了尋找更適合的特征提取算法，除了 AR模型，功率譜以外， 還有人提出同側(cè)腦半球功率譜差，對(duì)側(cè)腦半球線(xiàn)性復(fù)雜度等多種特征提取方法。2007年， Marcel和Mill' an采用一種基于多任務(wù)誘發(fā)腦電(包括運(yùn)動(dòng)想象和思維活動(dòng))對(duì)9個(gè)人進(jìn)行分類(lèi)，得到93. 4%的識(shí)別結(jié)果。胡劍鋒等人用6通道的運(yùn)動(dòng)想象電位(想象左右手、 舌動(dòng)、腳動(dòng))做分類(lèi)，得到75%-78. 3%的識(shí)別結(jié)果。Bao等人也對(duì)運(yùn)動(dòng)想象電位的身份識(shí)別潛能進(jìn)行了研究，數(shù)據(jù)來(lái)自于2003年BCI競(jìng)賽中帶有反饋的運(yùn)動(dòng)想象誘發(fā)實(shí)驗(yàn)，作者融合了 AR模型系數(shù)、相位同步值、能量譜密度等腦電特征，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)，最終得到 81.2% -90. 6%的識(shí)別結(jié)果。以上這些工作，在研究腦電的個(gè)體差異性和驗(yàn)證腦電用于身份識(shí)別的可行性方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。從靜息腦電到誘發(fā)腦電，研究者們不斷的探索更加適用于身份識(shí)別的腦電成分，這也是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。但截止目前普遍處于試驗(yàn)階段，識(shí)別裝置復(fù)雜，存在尚未進(jìn)入實(shí)用化階段的不足。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電的身份識(shí)別方法，具有實(shí)用性，有望獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，并為今后生物特征識(shí)別拓展新的思路。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電的身份識(shí)別方法，包括下列步驟采用相干平均法分離P3信號(hào)，記錄信號(hào)、誘發(fā)電位和噪聲的關(guān)系可表示如下
權(quán)利要求
1.一種基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電的身份識(shí)別方法，其特征是，包括下列步驟采用相干平均法分離P3信號(hào)，記錄信號(hào)、誘發(fā)電位和噪聲的關(guān)系可表示如下Xi (n) = s (η) +rij (η) i = 1,2,.....M ;n = 1,2,......N (1)其中，i表示記錄次數(shù)，η表示該次記錄中的第η個(gè)采樣值，經(jīng)過(guò)M次相干平均后，誘發(fā)響應(yīng)s (η)的估計(jì)值為
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征是，采用相干平均法分離Ρ3信號(hào)的具體步驟為，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行0. 5-40Ηζ的濾波處理，以去除基線(xiàn)漂移，然后將每一個(gè)刺激之后Is的數(shù)據(jù)分段從連續(xù)腦電中提取出來(lái)，并按照時(shí)間鎖定事件將這些腦電信號(hào)進(jìn)行分段排列，最后以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行疊加平均，從而得到Ρ3成分。
全文摘要
本發(fā)明屬于腦電的身份識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域。為提供一種提供一種基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電的身份識(shí)別方法，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于視覺(jué)誘發(fā)P3腦電的身份識(shí)別方法，包括下列步驟采用相干平均法分離P3信號(hào)，記錄信號(hào)、誘發(fā)電位和噪聲的關(guān)系可表示如下xi(n)＝s(n)+ni(n) i＝1，2，......M；n＝1，2，......N(1)在反復(fù)刺激和疊加的過(guò)程中，與刺激有固定鎖時(shí)關(guān)系的誘發(fā)電位逐漸增大，而隨機(jī)背景噪聲相互抵消，從而使P3分離出來(lái)；將以上分離出的P3波形作為特征，輸入支持向量機(jī)SVM中進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，為了提高識(shí)別精度，采用了10折交叉驗(yàn)證的方法。本發(fā)明主要應(yīng)用于身份識(shí)別場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G06K9/62GK102509103SQ20111029441
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者萬(wàn)柏坤, 劉晶, 孫長(zhǎng)城, 明東, 白艷茹, 綦宏志 申請(qǐng)人:天津大學(xué)