大腦能“開鎖”

我們的大腦無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生腦電波。腦電波信號(hào)現(xiàn)今已被作為生物信號(hào)輸入用于人機(jī)交互。在醫(yī)學(xué)上，腦電波信號(hào)的人機(jī)交互可以幫助殘疾人與使用腦電波的機(jī)器進(jìn)行通信。

Neumskv神念科技公司開發(fā)的ThinkGear AM模塊（簡(jiǎn)稱TGAM）是一款非常受歡迎的腦電技術(shù)應(yīng)用模塊，它利用一個(gè)干式電極就可以從人腦中檢測(cè)到微弱的腦電信號(hào)。通過(guò)該模塊可獲取腦電信號(hào)的Delta 波、Theta 波、LowAlpha波、High Alpha 波、Low Beta 波、High Beta 波、Low Gamma 波和High Gamma 波，同時(shí)獲得神念科技公司的eSense參數(shù)：專注度和放松度。其中“專注度”輸出頻率為1Hz，取值范圍為0～100，表示被測(cè)試者當(dāng)前對(duì)某一事物的投入專注（興趣）的程度，注意力越集中，專注度取值越大。

本文通過(guò)對(duì)腦電波信號(hào)專注度的采集、處理、分析，研究算法、編寫程序，實(shí)現(xiàn)人腦“意念”對(duì)安卓手機(jī)屏幕解鎖的控制。

一、總體方案

通過(guò)腦電頭帶，采集測(cè)試者在專注解鎖狀態(tài)下（集中注意力思考某一確定的密鑰圖片，如圖1所示）的腦電信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置的ADC 轉(zhuǎn)換電路將腦電波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，打成數(shù)據(jù)包，直接通過(guò)藍(lán)牙傳送給手機(jī)，手機(jī)基于腦電信號(hào)專注度的解鎖算法，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)手機(jī)解鎖?？傮w方案如圖2所示。

二、腦電信號(hào)數(shù)據(jù)流的基本格式

腦電信號(hào)采集模塊TGAM每秒發(fā)送513個(gè)數(shù)據(jù)包，其中前512個(gè)包是小包，第513 個(gè)包是大包。大包的格式如表1所示。

其中第[31]個(gè)字節(jié)0X04是專注度開始的標(biāo)志，第[32]個(gè)字節(jié)0X32是專注度值。本文重點(diǎn)研究專注度的變化規(guī)律。

三、腦電信號(hào)專注度的采集方法

腦電頭套將腦電信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙傳遞到電腦時(shí)，可使用Mindview和Xcom實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的采集。Mindview采集的腦電數(shù)據(jù)圖像用于腦電信號(hào)的定性分析，Xcom采集的腦電數(shù)據(jù)用于腦電信號(hào)的定量研究。

四、腦電信號(hào)專注度的分析方法

首先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理。針對(duì)Xcom采集的十六進(jìn)制原始數(shù)據(jù)文件，依據(jù)專注度所在的第513個(gè)包的頭字節(jié)特征（AA AA 20 02 C8 83 18），找出所有第513個(gè)包及專注度。

其次，統(tǒng)計(jì)分析專注度的變化規(guī)律。選取最能反映測(cè)試者腦電信號(hào)特征的典型數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)分析專注度的均值、方差、最大值、最小值等，繪制專注度變化曲線及專注度分布柱狀圖。

五、腦電信號(hào)專注度分析實(shí)驗(yàn)

通過(guò)MindView和Xcom采集志愿者在專注解鎖狀態(tài)下的腦電信號(hào)，統(tǒng)計(jì)分析專注度的變化特點(diǎn)和規(guī)律，研究腦電解鎖的方法。本文將19名志愿者分為兩組進(jìn)行了腦電波分析實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論。

結(jié)論一：專注解鎖狀態(tài)下，注意力越集中，專注度取值越高。

結(jié)論二：專注解鎖狀態(tài)下的專注度均值（μ）為57.2、均方差（σ）為17.6，專注度分布如圖3所示。

區(qū)域法適合大多數(shù)人實(shí)現(xiàn)腦控手機(jī)解鎖。

七、安卓手機(jī)屏幕解鎖程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.總體構(gòu)架

程序的設(shè)計(jì)主要包括藍(lán)牙通信、用戶接口和手機(jī)解鎖三個(gè)模塊，如圖7所示。

藍(lán)牙通信模塊主要實(shí)現(xiàn)手機(jī)與腦電頭帶的通信，并獲取TGAM數(shù)據(jù)流中第513個(gè)包中的專注度。

用戶接口模塊主要通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)腦電頭帶的搜索和鏈接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示采集到的專注度，清除屏幕顯示的專注度，更改、設(shè)置手機(jī)解鎖的專注度閾值。

手機(jī)解鎖模塊實(shí)現(xiàn)腦電波手機(jī)解鎖和手動(dòng)解鎖，本文選用閾值法編寫腦電波手機(jī)解鎖程序。

2.運(yùn)行流程

主流程如圖8所示。

本文實(shí)現(xiàn)了通過(guò)“意念”實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)的屏幕解鎖，為特殊人群或特殊目的實(shí)現(xiàn)手機(jī)操作提供了方法思路，為進(jìn)一步深入開展腦電控制的相關(guān)研究及應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。