基于EEG的駕駛疲勞監(jiān)測(cè)與音樂(lè)播放控制系統(tǒng)

尹晶海 陳鈺華 陳瑜

摘要：為了解決長(zhǎng)時(shí)間駕駛導(dǎo)致的疲勞問(wèn)題，提高駕駛員的警覺(jué)度和注意力，降低疲勞程度。該文基于腦電信號(hào)采用信號(hào)分析與模式識(shí)別的方法來(lái)監(jiān)測(cè)駕駛員的疲勞程度，在車載環(huán)境下，通過(guò)不斷調(diào)整車載音樂(lè)的播放曲目以及播放音量，達(dá)到自動(dòng)適應(yīng)不同疲勞程度的駕駛場(chǎng)景對(duì)外部音樂(lè)的需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該音樂(lè)播放控制系統(tǒng)后駕駛員到達(dá)重度疲勞的時(shí)間得到有效的延長(zhǎng)，相同駕駛時(shí)長(zhǎng)中駕駛員的注意力和警覺(jué)度也得到了提升。實(shí)驗(yàn)同時(shí)還表明，不同的駕駛疲勞狀態(tài)需要采用不同的音樂(lè)類型與聲音大小進(jìn)行刺激反饋，從而降低駕駛疲勞對(duì)行車安全的威脅。

關(guān)鍵詞：腦電信號(hào);駕駛疲勞;車栽設(shè)備;音樂(lè)刺激;自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）29-0077-03

1背景

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展汽車已經(jīng)深人到每個(gè)人的家庭生活中，在這個(gè)狹小的空間里人們“居住”的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。相關(guān)研究表明，隨著駕駛時(shí)間的延長(zhǎng)，人的各項(xiàng)生理機(jī)能和心理機(jī)能都會(huì)下降，所產(chǎn)生的駕駛疲勞已經(jīng)成為威脅行車安全的主要原因。因此怎樣監(jiān)測(cè)和減緩駕駛疲勞逐漸成為如今車載系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前的研究顯示收聽(tīng)音樂(lè)能夠有效減緩疲勞駕駛，但與此同時(shí)人的認(rèn)知效率受頻率、音域、編曲、音量、節(jié)奏等多個(gè)要素影響。例如輕柔的音樂(lè)能夠降低駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷，從而使駕駛員保持充足的注意資源，適合復(fù)雜路況下收聽(tīng);而搖滾樂(lè)的屬性會(huì)吸引駕駛員注意，增加駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷。快節(jié)奏音樂(lè)能使被試產(chǎn)生緊張感，提高了其生理喚醒程度。高響度音樂(lè)會(huì)增加駕駛員信息加工的負(fù)荷，導(dǎo)致警覺(jué)下降，但同時(shí)能防止大腦進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在通常環(huán)境下，將車內(nèi)音樂(lè)的響度設(shè)置為中等音量最有利于安全駕駛。

研究還發(fā)現(xiàn)，在不同的疲勞程度下，對(duì)同一種音樂(lè)所產(chǎn)生的作用將不盡相同。實(shí)驗(yàn)顯示，在輕度疲勞期，普通音量的輕音樂(lè)能提高注意力，而中度疲勞期則更適合有一定節(jié)奏和旋律優(yōu)美且歌詞朗朗上口的歌曲，駕駛員可以通過(guò)小聲地跟唱降低疲勞程度。一旦到了重度疲勞期，則需要音量較大的重金屬搖滾樂(lè)來(lái)刺激駕駛員防止打瞌睡。因此如果需要通過(guò)播放音樂(lè)來(lái)緩和駕駛員的疲勞程度以及提高注意力水平，需要實(shí)時(shí)的獲取其當(dāng)前的疲勞狀態(tài)。

對(duì)于駕駛疲勞的檢測(cè)，目前已經(jīng)有很多種方法。例如通過(guò)閉眼時(shí)間和眼球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者是心跳和呼吸頻率。在所有對(duì)于自身疲勞狀態(tài)的生理反應(yīng)中，最為直接的就是大腦了。在1929年Hans Berger第一次記錄到了標(biāo)到了大腦活動(dòng)的證據(jù)一腦電信號(hào)（EEG），腦電波的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了各個(gè)領(lǐng)域的研究學(xué)者展開(kāi)利用大腦思維控制外界環(huán)境的研究。日本的Neu-Fowear公司推出了一款可以通過(guò)腦電波來(lái)控制音樂(lè)播放，例如暫停、上一首、下一首等等功能。研究表明，利用腦電波控制音頻播放、視頻播放、空調(diào)等車載設(shè)備，對(duì)其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的操作是可能的。我們將腦電波作為車載智能設(shè)備的信號(hào)輸人，對(duì)車載音響的播放過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)控制。當(dāng)駕駛員處于不同程度的疲勞狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)分析腦電信號(hào)的差異來(lái)調(diào)整車載音響的播放曲目和音量。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，判別次數(shù)的不斷積累，系統(tǒng)還能不斷地提高其自適應(yīng)性。

2需求分析

基于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)，我們挖掘出以下的一些基本需求：

1）離線播放——在不連接腦電采集設(shè)備的時(shí)候通過(guò)讀取已有的腦電數(shù)據(jù)文件來(lái)控制音頻播放，同時(shí)展現(xiàn)腦電原始數(shù)據(jù)以及中間數(shù)據(jù)

2）在線播放——實(shí)時(shí)從采集設(shè)備讀取腦電信號(hào)并顯示，然后根據(jù)不同的模式識(shí)別結(jié)果來(lái)控制播放過(guò)程和音量

3）參數(shù)設(shè)置——包括藍(lán)牙連接設(shè)置、采樣參數(shù)設(shè)置、分析模式設(shè)置、存儲(chǔ)模式設(shè)置、顯示模式設(shè)置等等

4）識(shí)別結(jié)果——繪制疲勞度和關(guān)注度等指標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線，并可以將多次實(shí)驗(yàn)采集的不同結(jié)果進(jìn)行比對(duì)

5）統(tǒng)計(jì)分析——采用圖表的方式展示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包含數(shù)據(jù)表、柱狀圖、餅狀圖、折線圖等等

6）系統(tǒng)管理——軟件的基本信息、用戶教程、設(shè)備連接管理

然后采用用例分析的方法來(lái)整理各項(xiàng)核心需求之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

從圖1（a）可以看出，系統(tǒng)的三個(gè)主用例分別是離線播放、在線播放和系統(tǒng)管理。其中圖1（d）離線播放主要包含音樂(lè)播放和離線數(shù)據(jù)讀取兩個(gè)子用例，該用例是在系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)時(shí)采集腦電信號(hào)的時(shí)候進(jìn)行常規(guī)音樂(lè)播放或者是通過(guò)讀取離線采集的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試基于駕駛員疲勞程度的音樂(lè)播放控制功能。而圖l（b）在線播放則包含了音樂(lè)播放、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在線數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)分析與特征識(shí)別等子用例，在線播放是整個(gè)系統(tǒng)的最核心用例，通過(guò)在線讀取腦電采集設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，保存后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與特征識(shí)別，然后將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給播放模塊從而控制音樂(lè)播放的行為與策略。圖1（c）系統(tǒng)管理包含了系統(tǒng)的基本信息管理，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置以及相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析等功能。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的模塊數(shù)量較多，本文重點(diǎn)介紹與核心功能緊密相關(guān)的幾個(gè)模塊。首先是在線數(shù)據(jù)讀取，由于車載環(huán)境下和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的腦電信號(hào)采集模式不同，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下外部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，受試者是在放松心態(tài)下坐在穩(wěn)定不動(dòng)的座椅上采集腦電信號(hào)，同時(shí)還屏蔽了很多外部噪音。而車載環(huán)境下外部環(huán)境是不停變化的，使用者精神緊張而且外部干擾較多;這使得車載環(huán)境下的腦電信號(hào)采集必須要達(dá)到較好的實(shí)時(shí)性和抗干擾性，而且數(shù)據(jù)量受一定的限制，我們選用的是電極數(shù)量比較少的干電極腦電設(shè)備。模塊工作的具體流程如圖2所示。

在線數(shù)據(jù)讀取的流程如圖2所示，腦電采集設(shè)備開(kāi)機(jī)后藍(lán)牙設(shè)備要進(jìn)行初始化和配對(duì)，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給車載系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)如果不符合要求則重新讀取，如果符合則將數(shù)據(jù)封裝成為識(shí)別模塊需要的數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)去。

圖3顯示，識(shí)別模塊讀取收到的原始腦電信號(hào)，然后進(jìn)行濾波和去干擾等數(shù)據(jù)預(yù)處理，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)再通過(guò)分析算法進(jìn)行信號(hào)分析和模式識(shí)別，最后經(jīng)過(guò)特征提取和識(shí)別將結(jié)果輸出到音樂(lè)播放控制模塊。

圖4中音樂(lè)播放模塊除了依照模式識(shí)別的結(jié)果來(lái)控制音頻文件播放流程以外，還同步的在播放界面中顯示原始腦電信號(hào)以及分析結(jié)果。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于Android8.0采用Android studio作為開(kāi)發(fā)工具。腦電采集采用八導(dǎo)聯(lián)干電極采集設(shè)備，使用藍(lán)牙與車載設(shè)備連接與數(shù)據(jù)交換。離線數(shù)據(jù)分析過(guò)程使用駕駛模擬平臺(tái)采集信號(hào)，通過(guò)MATLAB 2016對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別，獲得較高識(shí)別效率后對(duì)算法進(jìn)行速度優(yōu)化，然后轉(zhuǎn)為Java源碼嵌人到An-droid應(yīng)用程序中。

最終的軟件音樂(lè)播放界面如圖5fa）所示，右上角的圖形顯示當(dāng)前腦電信號(hào)的總體強(qiáng)度，左上角的柱形圖和中央的環(huán)形雷達(dá)圖顯示的是不同頻率段的腦電信號(hào)強(qiáng)度，隨著腦電信號(hào)的不斷變化，這兩個(gè)圖形也在不斷變化，看上去有點(diǎn)像音響的聲音頻段顯示，但實(shí)際關(guān)聯(lián)的是腦電信號(hào)的變化。左邊的兩個(gè)彩色橫條分別表示當(dāng)前駕駛員的注意力警覺(jué)度和疲勞程度。這兩個(gè)數(shù)值將對(duì)播放的曲目和音量產(chǎn)生影響，以實(shí)現(xiàn)提高警覺(jué)度和降低疲勞程度的目的，同時(shí)反饋的結(jié)果也將被保存到數(shù)據(jù)中用來(lái)不斷的優(yōu)化系統(tǒng)性能。圖5（b）是車載腦電信號(hào)采集設(shè)備，通過(guò)藍(lán)牙與車載系統(tǒng)連接并傳送腦電數(shù)據(jù)。

6結(jié)束語(yǔ)

本文基于腦電信號(hào)采用信號(hào)分析與模式識(shí)別的方法來(lái)監(jiān)測(cè)駕駛員的疲勞程度，在車載環(huán)境下，通過(guò)不斷調(diào)整車載音樂(lè)的播放曲目以及播放音量，達(dá)到自動(dòng)適應(yīng)不同疲勞程度的駕駛場(chǎng)景對(duì)外部音樂(lè)的需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該音樂(lè)播放控制系統(tǒng)后駕駛員到達(dá)重度疲勞的時(shí)間得到有效的延長(zhǎng)，相同駕駛時(shí)長(zhǎng)中駕駛員的注意力和警覺(jué)度也得到了提升。實(shí)驗(yàn)同時(shí)還表明，不同的駕駛疲勞狀態(tài)需要采用不同的音樂(lè)類型與聲音大小進(jìn)行刺激反饋，從而降低駕駛疲勞對(duì)行車安全的威脅。