专利名称：脑波人机界面的视觉驱动方法、控制方法及控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人机界面的视觉驱动方法、控制方法及控制系统，特别是涉及 一种闪光顺序稳定而能让使用者方便观看且能快速辨识的脑波人机界面的视觉驱动方 法、控制方法及控制系统。
背景技术：
肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)、脑中风、头部损伤、多发性硬化症和肌肉营 养不良等病患，由于无法表达自我的意愿、与人沟通、传达喜怒哀乐、自主行动及自我 照护，并具有与外界沟通的障碍；因此，各国的研发人员都试图发展不需要依赖肌肉和 神经的沟通技术，其中一种可行的方法是使用脑电信号(EEG)以作为使用者传达意念的 控制信号，这样的技术被称为脑波人机界面(Brain Computer Interface ；简称BCI)，而一 个好的脑波人机界面必须先包含下列要件良好的触发条件以诱发稳定的脑波信号、良 好的信号处理程序以萃取正确的脑波信号，以及适当的输出控制装置。目前应用视觉诱发电位(Visual Evoked Potential, VEP)的脑波人机界面的技术包 括一、稳态视觉诱发电位(Steady-state Visual Evoked Potential，SSVEP)主要利
用目标物的不同闪烁频率而诱发出来的电位进行控制，相关研究有大陆清华大学电机系 的陈明、高小榕等人利用稳态视觉诱发电位作为输出以控制屏幕的光标。二、闪烁视觉诱发电位(Flash Visual Evoked potential，FVEP)闪烁视觉诱发电
位系统与稳态视觉诱发电位系统不同之处在于利用随机编码方式产生闪光序列，由于具 有较多的闪光刺激，因此可增加选项数量。但是，现有脑波人机界面技术会衍生下述缺失—、现有稳态视觉诱发电位系统缺点是使用不同频率诱发使用者的稳态视觉诱 发电位，频率落差大造成视野画面凌乱、不同选项之间信号处理和验证时间差异很大、 提供的选项数目受限、高频率解析度需要较长的时间验证，及使用傅立叶转换技术，运 算量大，系统需求高。二、闪烁视觉诱发电位系统的缺点是视野画面的闪光顺序凌乱、易受其它生理 信号的干扰、较不稳定及慢速的辨识时间。
发明内容
为了克服现有脑波人机界面技术的视野画面的闪光顺序凌乱的问题，本发明提 供一种闪光顺序稳定而能让使用者方便观看且能快速辨识的脑波人机界面的视觉驱动方法。本发明脑波人机界面的视觉驱动方法解决其技术问题所采用的技术方案是显 示多个闪烁光源供使用者观看，且各闪烁光源的闪光时序是利用时间延迟来达成不同相 位编码，以达到使用者最舒适的显示目的。
为了克服现有技术运算量大且辨识速度慢的问题，本发明提供一种有利于快速 辨识的脑波人机界面的控制方法及控制系统。本发明脑波人机界面的控制方法解决其技术问题所采用的技术方案是a.显示 多个闪烁光源供使用者观看，且各闪烁光源的闪光时序是利用时间延迟来达成不同相位 编码；b.量测使用者的视觉诱发脑波信号；c.计算脑波信号的频率成分与相位；d.辨识 受诱发脑波信号主要频率与相位与闪烁光源的相关性；及e.输出对应于该脑波信号的控 制信号。本发明脑波人机界面的控制系统解决其技术问题所采用的技术方案是控制系 统具有一闪光装置、一量测装置、一计算装置、一辨识装置及一控制装置；闪光装置显 示多个闪烁光源供使用者观看，且各闪烁光源的闪光时序是利用时间延迟来达成不同相 位编码；量测装置量测使用者的视觉诱发脑波信号；计算装置计算脑波信号的频率成分 与相位；辨识装置依据计算装置得到的脑波信号之频率成分与相位与一预先建立的样板 资料库比对以辨识受诱发脑波信号与闪烁光源的主要频率与相位的相关性；控制装置输 出相关于各闪烁光源相对应的操作控制指令。本发明脑波人机界面的控制方法及控制系统的有益效果是一、闪光装置以相位编码方式进行视觉刺激并配合使用可调整的亮、暗周期闪 光，增加系统使用时的舒适度。二、计算装置在时间域上处理频率域的问题，运算量小、速度快且辨识率高。
图1是一系统方块图，说明本发明优选实施例的脑波人机界面的控制系统用于 控制周边装置；图2是一示意图，说明可程式化晶片所产生的序列是采用两种频率搭配四种相 位而成的八个闪光信号；图3是一示意图，说明每一个数字选项的闪光的亮暗周期可以随使用者进行调 整；图4是一示意图，说明每一个数字选项的闪光的亮暗周期可以随使用者进行调 整；图5是一流程图，说明本发明脑波人机界面的控制方法；图6是一流程图，说明计算脑波信号的频率成分与相位及辨识受诱发脑波信号 与闪烁光源的主要频率与相位的相关性的详细步骤。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明 参阅图1，本发明优选实施例的脑波人机界面的控制系统100用于控制一周边 装置2，控制系统100具有一闪光装置11、一量测装置12、一计算装置13、一辨识装置 14、一控制装置15及一样版资料库16。闪光装置11具有一可程式化晶片110及供一使用者5观看的多个闪烁光源111 118，各闪烁光源111 118的闪光时序是利用可程式化晶片110控制时间延迟来达成不同相位编码。本发明脑波人机界面的视觉驱动方法采用的相位编码原理是将一正弦波数 学式S(t) = Sin(cot+e)中的相位角(Θ)等于角速度(ω)乘上时间常数(t')，即
可等效成S(t) = sin — t+on' ) = sin( (t+t'))，再经由变数变换令= + ’，可得 =由前述可知，该正弦波数学式可表示为彳令-O = Sin(^yt),代表经
由时间的延迟可产生带有该相位角(Θ)的正弦波函数，也就是本发明所需的闪光序列相 位角(θ )可利用时间延迟来达成。本实施例中，脑波人机界面的视觉驱动方法是依据前述原理由可程式化晶片110 执行，且藉由公式1、公式2来做相位编码，其中公式1所示的该θ η为一通道编号η的 相位角，该χ为闪烁光源的数量。
权利要求
1.一种脑波人机界面的视觉驱动方法，是利用闪光序列触发使用者的视觉诱发电位 以进行后续控制；其特征在于所述方法是显示多个闪烁光源供使用者观看，且各闪烁 光源的闪光时序是利用时间延迟来达成不同相位编码。
2.根据权利要求1所述的脑波人机界面的视觉驱动方法，其特征在于所述闪烁光 源的闪光时序藉由以下的公式1及公式2来做相位编码民=—x(”-l)公式 1;JC =·^ = ^、^^ = ^—1)公式 ωγη 2 Jm χχ所述的公式1揭示的θ η为一通道编号η的相位角，χ为闪烁光源的数量，公式2揭 示的to是通道编号η的延迟时间，tm为该信道的闪烁周期，且to即该闪烁频率fm的倒数。
3.根据权利要求2所述的脑波人机界面的视觉驱动方法，其特征在于所述闪烁光 源的将不同频率以交错的方式排列使得邻近的闪烁光源为不同频率。
4.一种脑波人机界面的控制方法，是利用闪光序列触发使用者的视觉诱发电位以进 行后续控制；其特征在于所述方法包含下述步骤a.显示多个闪烁光源供使用者观看，且各闪烁光源的闪光时序是利用时间延迟来达 成不同相位编码；b.量测使用者的视觉诱发脑波信号；c.计算脑波信号的频率成分与相位；d.依据步骤C得到的脑波信号的频率成分与相位与一预先建立的样板资料库比对以辨 识受诱发脑波信号与闪烁光源的主要频率与相位的相关性；及e.执行相关于各闪烁光源相对应的操作控制。
5.根据权利要求4所述的脑波人机界面的控制方法，其特征在于所述闪烁光源的 闪光时序藉由以下的公式1及公式2来做相位编码民=—χ("-ι)公式 1; χθη 1 2π(η- ) tm . 1λ tn =——= T-^-X-- = —2； ωγη 2 π- Jm χ χ所述的公式1揭示的θ η为一通道编号η的相位角，χ为闪烁光源的数量，公式2揭 示的tn是通道编号η的延迟时间，tm为该信道的闪烁周期，且tm即该闪烁频率fm的倒数。
6.根据权利要求5所述的脑波人机界面的控制方法，其特征在于所述步骤a的闪烁 光源的将不同频率以交错的方式排列使得邻近的闪烁光源为不同频率。
7.根据权利要求6所述的脑波人机界面的控制方法，其特征在于所述步骤c是将 符合的信号经过不同频带的带通滤波器，然后，将视觉诱发电位与闪光序列作比对；接 着，以闪光序列为基准对信号进行切割；切割后的信号利用平均技术处理以得到脑波信 号的频率成分与相位。
8.一种脑波人机界面的控制系统，是利用闪光序列触发使用者的视觉诱发电位以进行后续控制；其特征在于所述系统包含一闪光装置，显示多个闪烁光源供使用者观看，且各闪烁光源的闪光时序是利用时 间延迟来达成不同相位编码；一量测装置，量测使用者的视觉诱发脑波信号； 一计算装置，计算脑波信号的频率成分与相位；一辨识装置，依据计算装置得到的脑波信号的频率成分与相位与一预先建立的样板 资料库比对以辨识受诱发脑波信号与闪烁光源的主要频率与相位的相关性；及 一控制装置，输出相关于各闪烁光源相对应的操作控制指令。
9.根据权利要求8所述的脑波人机界面的控制系统，其特征在于所述闪光装置对 各闪烁光源的闪光时序是藉由以下的公式1及公式2来做相位编码
10.根据权利要求9所述的脑波人机界面的控制系统，其特征在于所述闪光装置的 闪烁光源的将不同频率以交错的方式排列使得邻近的闪烁光源为不同频率。
11.根据权利要求10所述的脑波人机界面的控制系统，其特征在于所述计算装 置是将符合的信号经过不同频带的带通滤波器，然后，将视觉诱发电位与闪光序列作比 对；接着，以闪光序列为基准对信号进行切割；切割后的信号利用平均技术处理以得到 脑波信号的频率成分与相位。
12.根据权利要求8至11任一项所述的脑波人机界面的控制系统，其特征在于量测 装置是使用电极量测使用者的大脑视觉区或前额的视觉诱发脑波信号。
全文摘要
一种脑波人机界面的视觉驱动方法、控制方法及控制系统，该视觉驱动方法主要是显示多个闪烁光源供使用者观看，且闪烁光源的闪光时序是利用时间延迟来达成不同相位编码，利用闪光序列触发使用者的视觉诱发电位以进行后续控制，藉此达到增加系统使用时的舒适度的目的。
文档编号G06F3/01GK102023701SQ200910173789
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者吴奇勋, 张香治, 徐国铠, 李柏磊, 李铭寰, 谢竣杰 申请人:国立中央大学