Tor przetwarzania sygnaªu

Stanowisko pomiarowe nie ulegªo zmianie i byªo zgodne z tym, które przedstawiono na rysunku 5.1. Przetwarzanie sygnaªu odbywaªo si¦ wedªug schematu przedstawionego na rysunku 5.20.

Rysunek 5.20: Schemat przetwarzania sygnaªów w opracowanym interfejsie

Akwizycja danych

W tej cz¦±ci bada« elektrody pomiarowe montowano w lokalizacjach O1, O2, P3, P4, Pz, wedªug standardu 10-20. Ich rozmieszczenie ilustruje rysunek 5.21. Dzi¦ki zastosowaniu 5 elektrod otrzymano 5 kanaªów pomiarowych.

Elektroda referencyjna montowana byªa w lokalizacji Oz a elektroda uziemiaj¡ca na pªatku ucha (za pomoc¡ klipsu). Na rysunku 5.21 kolorem niebieskim oznaczono elektrody pomiarowe, kolorem zielonym elektrod¦ referencyjn¡. Kolejne bod¹ce byªy

uruchamiane za pomoc¡ klawiatury lub myszki przez osob¦ badan¡ lub nadzoruj¡c¡

badania.

Rysunek 5.21: Rozmieszczenie elektrod w badaniach dotycz¡cych opracowanego interfejsu

Filtracja (ekstrakcja cech)

Ka»dy z pi¦ciu kanaªów pomiarowych poddawany jest ltracji pasmowoprzepustowej za pomoc¡ ltru Butterwortha 4 rz¦du. Pasmo przepustowe ka»dego z ltrów jest zwi¡zane z cz¦stotliwo±ci¡ migania bod¹ców i drug¡ harmoniczn¡ tej cz¦stotliwo±ci.

Zestaw ltrów przedstawiono w tabeli 5.11.

W efekcie uzyskiwanych jest ª¡cznie 80 sygnaªów (8 ltrów x 5 kanaªów pomiaro-wych x 2 harmoniczne).

5. WYKONANE BADANIA EKSPERYMENTALNE

Tabela 5.11: Zestawienie pasma przepustowego ltrów wykorzystywanych przez interfejs

Cz¦stotliwo±¢ bod¹ca f_ster[Hz] Pasmo ltru dla harmonicznej pierwszej [Hz] drugiej [Hz]

U±rednienie sygnaªów i wyznaczenie mocy sygnaªu

Sygnaªy u±redniane s¡ w pa±mie tak, aby uzyska¢ ±redni¡ warto±¢ mocy danego pasma cz¦stotliwo±ci sygnaªów mierzonych nad kor¡ wzrokow¡. U±rednienie wykonywane jest o±miokrotnie, dla ka»dego z pasm cz¦stotliwo±ci osobno.

U_sr(t) =

U_sr(t)  wyznaczona warto±¢ ±rednia napi¦cia;

Ui(t)  warto±¢ chwilowa napi¦cia z pojedynczego kanaªu pomiarowego;

m  liczba u±rednianych skªadowych równa liczbie kanaªów pomiarowych.

Nast¦pnie wyznaczana jest warto±¢ kwadratowa u±rednionych danych. Obliczona warto±¢ kwadratowa ltrowana jest dolnoprzepustowo ltrem H Butterwortha 4 rz¦du o cz¦stotliwo±ci odci¦cia fdp=1 Hz [25].

P (t) = H^fdp(U_sr²(t))[µV²] (5.3) gdzie:

P (t)  moc chwilowa w pa±mie;

U_sr²(t)  u±redniona warto±¢ chwilowa napi¦cia;

f_dp  cz¦stotliwo±¢ odci¦cia ltru dolnoprzepustowego;

H^fdp  ltracja ltrem dolnoprzepustowym o cz¦stotliwo±ci odci¦cia fdp.

Na rys 5.22 przedstawiono kolejno opisane operacje wykonywane na sygnale. Wy-kres górny przedstawia u±redniony sygnaª po ltracji pasmowoprzepustowej od 13,8 Hz do 14,2 Hz [44]. Znaczny wzrost mocy sygnaªu wykazuje, »e osoba badana obserwowaªa bodziec migaj¡cy z cz¦stotliwo±ci¡ 14 Hz.

Rysunek 5.22: Sygnaª po: a) ltracji pasmowoprzepustowej, b) wyznaczeniu jego warto±ci kwadratowej, c) ltracji dolnoprzepustowej

5. WYKONANE BADANIA EKSPERYMENTALNE

Klasykacja

Przed klasykacj¡ normalizowanych jest ª¡cznie 16 sygnaªów, w dwóch grupach: jedna grupa to sygnaªy ltrowane tak, aby "wskazywaªy" na moc w pa±mie od 11 do 18 Hz, w drugiej grupie zawarte s¡ sygnaªy ltrowane tak, aby informowaªy o mocy sygnaªów w pa±mie od 22 do 39 Hz. Normalizacj¦ warto±ci sygnaªu przeprowadza si¦ wg wzoru:

P_inorm = P_i

P_inorm  wyznaczona warto±¢ znormalizowana z pojedynczego kanaªu pomiarowego;

P_i  warto±¢ danych z pojedynczego kanaªu pomiarowego;

n  liczba wszystkich skªadowych w analizowanym zbiorze;

Dzi¦ki normalizacji, warto±ci wszystkich danych zawieraj¡ si¦ w przedziale <0,1>.

Na rysunku 5.23 przedstawiono znormalizowany wykres podobnie jak na rys. 5.22c wraz z innymi sygnaªami przekazywanymi do klasykatora. Przedstawienie tego wy-kresu ma na celu zobrazowanie mocy sygnaªu wywoªanego pojawieniem si¦ bod¹ca o okre±lonej cz¦stotliwo±ci na tle innych sygnaªów. Na rysunku 5.23 oznaczono znaczniki czasu (triggery) wskazuj¡ce moment pojawienia si¦ bod¹ca. Analizuj¡c wykresy przed-stawione na rysunku 5.23 mo»na stwierdzi¢, »e bodziec powinien pojawi¢ si¦ mi¦dzy 3 a 5 sekund¡ oraz mi¦dzy 8 a 11 sekund¡. Na tej podstawie mo»na wniosko-wa¢, »e wzrost warto±ci mocy na rysunku 5.22c wskazuje, »e rzeczywi±cie bod¹ce zostaªy zaobserwowane przez badan¡ osob¦. Pierwszy bodziec migaª z cz¦stotliwo±ci¡ 11 Hz a drugi z cz¦stotliwo±ci¡ 12 Hz.

Na rysunku 5.23 mo»na zaobserwowa¢ jeszcze jedn¡ rzecz wart¡ odnotowania. W czasie, kiedy osoba badana nie obserwowaªa »adnego bod¹ca, analizowane sygnaªy osi¡gn¦ªy znormalizowane warto±ci mniejsze od 0,3. Przyczyniªo si¦ to do opra-cowania przez autora jednego z dwóch klasykatorów.

Mózg nie ka»dej osoby badanej potra wytworzy¢ odpowied¹ SSVEP o tak silnej odpowiedzi jak zostaªo to pokazane na rysunku 5.23. Dlatego zastosowanie progu mo»e nie by¢ wystarczaj¡cym kryterium rozpoznania bod¹ca i nale»y skorzysta¢ z dodatkowych warunków. Autor niniejszej pracy analizowaª wyst¦powanie i powstawanie drugiej harmonicznej odpowiedzi na bodziec, stwierdzaj¡c,

»e do poprawienia jako±ci klasykacji warto wykorzysta¢ analiz¦ tej har-monicznej. Powstaªy dwa klasykatory:

• wykorzystuj¡cy jedynie moc pierwszej harmonicznej,

• wykorzystuj¡cy moc pierwszej i drugiej harmonicznej.

Rysunek 5.23: Znormalizowany sygnaª z rys. 5.22 i znaczniki czasu

Na potrzeby klasykacji ka»dy z 16 analizowanych sygnaªów jest u±redniany raz na 50 ms. Wyznaczona warto±¢ przekazywana jest do klasykatora.

W podrozdziale 4.5 zauwa»ono, »e klasykator wymaga sesji treningowej w celu nauczenia si¦ jak rozpoznawa¢ zadane typy bod¹ców. W autorskim klasykatorze, w sesji treningowej prezentowano badanej osobie 24 pi¦ciosekundowe bod¹ce. W tym czasie zapisywano 14 z 16 sygnaªów, pomijaj¡c 2 sygnaªy zwi¡zane z prezentowanym bod¹cem. Nast¦pnie dla wszystkich zebranych danych obliczano warto±¢ ±redni¡ oraz odchylenie standardowe. Obliczenia te sªu»¡ wyznaczeniu ±redniej warto±ci, jakie osi¡-gaj¡ sygnaªy inne ni» zwi¡zane z aktualnie prezentowanym bod¹cem. Na tej podstawie wyznaczono próg detekcji wyst¡pienia bod¹ca:

próg = P_inorm+ 3 · σ(P_inorm)[−] (5.5)

5. WYKONANE BADANIA EKSPERYMENTALNE

gdzie:

P_inorm  ±rednia warto±¢ mocy znormalizowanej w analizowanym pa±mie, σ(P_inorm)  warto±¢ odchylenia standardowego mocy w analizowanym pa±mie.

Próg wyznaczony jako suma ±redniej warto±ci danych i 3-krotnej warto±ci odchyle-nia standardowego oznacza, »e teoretycznie, zgodnie z rozkªadem normalnym, 99,8%

danych powinno mie¢ warto±ci mniejsze od tego progu. Aby zdecydowa¢ na co w danej chwili patrzy osoba badana, klasykator 5-krotnie "pod rz¡d" musi podj¡¢ t¦

sam¡ decyzj¦. Dany sygnaª 5-krotnie musi osi¡gn¡¢ warto±¢ wi¦ksz¡ od progu i musi mie¢ najwi¦ksz¡ warto±¢ w analizowanym zbiorze (Z1 = {U₁...U₈}). Wynika z tego,

»e minimalny czas na detekcj¦ bod¹ca wynosi 250 ms. Przykªad zostaª przedstawiony na rysunku 5.24. Obliczony próg zaznaczono grubsz¡ przerywan¡ lini¡. Jak wida¢, bardzo dobrze oddziela on sygnaªy zwi¡zane z bod¹cem od pozostaªych sygnaªów, których warto±ci pozostaj¡ w "bezpiecznej" odlegªo±ci od progu. W prezentowanym przypadku wszystkie bod¹ce zostaªy rozpoznane prawidªowo.

Schemat dziaªania tego klasykatora zostaª zamieszczony na rysunku 5.25.

Drugi proponowany klasykator nie korzysta z obliczonego progu, wi¦c nie wy-maga wcze±niejszego treningu. Natomiast podobnie jak w poprzednim przypadku, klasykator tak»e 5-krotnie pod rz¡d musi podj¡¢ t¦ sam¡ decyzj¦, aby zdecydo-wa¢ na co w danej chwili patrzy osoba badana. Dany sygnaª zwi¡zany z moc¡

pierwszej harmonicznej 5-krotnie musi osi¡gn¡¢ najwi¦ksz¡ warto±¢ w analizowanym zbiorze (Z1 = {U₁...U₈}) a sygnaª zwi¡zany z moc¡ drugiej harmonicznej musi 5-krotnie musi osi¡gn¡¢ najwi¦ksz¡ warto±¢ w anali-zowanym zbiorze (Z2 = {U9...U16}). Podobnie jak w poprzednim klasykatorze oznacza to, »e minimalny czas potrzebny na klasykacj¦ to 250 ms. Schemat dziaªania tego klasykatora zostaª zaprezentowany na rysunku 5.26.

Rysunek 5.24: Znormalizowane warto±ci przetwarzanych sygnaªów; lini¡ przeywan¡

zaznaczono próg detekcji

5. WYKONANE BADANIA EKSPERYMENTALNE

Rysunek 5.25: Schemat dziaªania klasykatora wykorzystuj¡cego moc pierwszej harmonicznej

Rysunek 5.26: Schemat dziaªania klasykatora wykorzystuj¡cego moc pierwszej i drugiej harmonicznej