專利名稱：觀看3d影像致不適感的腦電信號功率譜與r值評價方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種腦電信號的采集和特征提取方法。特別是涉及一種觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法
背景技術：
3D電視是三維立體影像電視的簡稱。三維立體影像電視利用人的雙眼觀察物體的角度略有差異，因此能夠辨別物體遠近，產生立體的視覺這個原理，把左右眼所看到的影像分離，從而令用戶無需借助立體眼鏡即可裸眼體驗立體感覺。3D電視的產生不僅是對圖像 質量的改進，更是對圖像中形象的變革。立體顯示技術雖然具有立體感和沉浸感很強的優(yōu)點，但如果長時間觀看立體影像(30分鐘以上)，就很可能產生視覺疲勞、暈眩等不舒適癥狀，這在一定程度上影響了立體顯示技術的普及與發(fā)展。健康和安全也是3D立體顯示急需攻克的難題。研究結果顯示，觀眾在觀看立體影像時，由于眼睛會迅速地來回移動，因而容易造成眼睛疲勞等不適感。Li等人用背景腦電波和事件相關電位來評價視覺疲勞，結果表明背景腦電波的頻譜和P700潛伏期的延遲都取決于雙眼視差和觀影時間，這一點也在主觀性的測量方法中得到驗證。因此，用腦電波測量視覺信息在傳輸過程中的延遲是一種評價視覺疲勞的有效方法。針對觀看三維影像引起的視覺疲勞等不適感，相應的研究工作開展得還比較少。對于一項新的技術產物，自由觀看需要得到保證，因此，圖像質量和視覺上的舒適感都要比傳統(tǒng)電視機具有優(yōu)勢。如果能夠找到一種三維立體顯示技術，可以大大降低現(xiàn)有的立體顯示設備成本的同時，又能簡單易用、占據空間有限，最為重要的是能極大的緩解或解決現(xiàn)在立體顯示技術給人們所帶來的眾多生理和心理上的問題，那必然會推動立體顯示技術的發(fā)展，讓三維立體顯示科技服務于大眾生活。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種根據觀看2D、3D影像時所引起人體腦電信號的異同，從而提供一種評估視覺疲勞的方法，促進3D影像技術發(fā)展的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法。本發(fā)明所采用的技術方案是一種觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，包括如下步驟(I)設置實驗環(huán)境和條件，安排受試者的實驗順序；(2)解說實驗流程，安置腦電電極，采集受試者觀影前腦電信號2min，并進行第一次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題；(3)觀看整部影片并采集腦電信號，影片結束后進行第二次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題；(4)受試者在結束觀影階段后，休息10 20min后，采集腦電信號5min，進行第三次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題；
(5)對所采集的腦電信號進行預處理，包括(a)對采集的腦電信號進行重設參考、濾波消噪和歸一化處理；(b)利用ICA方法去除眼電，即將信號分解成各個獨立的分量并對分量進行分析；(6)針對預處理所得腦電信號的頻率范圍，進行多個波段的功率譜分析對采集到的實驗數據，在MATLAB 7. 11平臺上進行處理；首先，對腦電數據進行平均功率譜求解，選取相應的數據點進行傅里葉變換，然后取頻譜與該頻譜共軛的乘積，得到功率譜的估計，計算各個波段占總功率譜的百分比值，并對整個實驗時長共85 IOOmin進行直線擬合，尋求整體變化趨勢；其次，在SPSS18. 0平臺上，分別對功率譜數值和百分比值進行單因素方差分析，用以判斷2D和3D兩種實驗條件下的差異；(7) R值分析，并進行兩種實驗條件2D和3D的統(tǒng)計學t_檢驗；步驟I)包括設置房間內的背景光照度為2. 5 3. 5Lux,選擇受試者必須是初次觀看將要放映的影片，3D電視機位于受試者2. 5 3. 5m的正前方，在觀看3D影像時，佩戴場頻120場/秒的主動快門式3D眼鏡，整個實驗時間為85 lOOmin。步驟I)還包括將受試者分為兩組，一組先觀看3D影像模式，后觀看2D影像模式，另一組先觀看2D模式，后觀看3D模式。步驟2)所述的采集觀影前腦電信號2min，是采集受試者實驗前靜息狀態(tài)下的腦電信號，閉眼lmin，睜眼lmin，腦電信號的采樣保證電極阻抗小于5000歐姆。步驟3)所述的觀看影片要求每個受試者觀看2D和3D兩個影像實驗的間隔要在10天以上。步驟5)所述的利用ICA方法去除眼電，具體是在未知源信號S及該未知源信號S混疊特性A的情況下，僅從接收到的混合信號X = A*S中提取出源信號，即一組獨立的源信號s (t) = [S1⑴，…，Sn⑴]T經過混合系統(tǒng)A混合在一起，得到觀測信號x(t) = [X1 (t),…，xn(t)]T，表示如下
( &(,)、功);2(0
vx (0jU(,)y其中，源信號s(t)和混合系統(tǒng)A都是未知的，只有混合后的x(t)可以觀測到，ICA的任務是在A和S未知的前提下，找到解混矩陣W，使輸出矩陣U = ff*X = ff*A*S其中，x(t)= [X1 (t), ...，xn(t)]T 為觀測信號，s(t) = [S1 (t), ...，sn(t)]T 為源信號，A為混合系統(tǒng)，S為源信號，U為輸出矩陣，W為解混矩陣，X為混合信號步驟7)使用alpha為10_13Hz和beta為18_22Hz兩個頻帶的平均功率譜比值作為3D影像致不適感的一個指標，設信號在頻帶h的平均功率譜密度為
\f; P(fWG(h) = -
fu~fd
D G(H1)R = TT7T
Gih2)
其中，G為平均功率譜密度，h為信號的頻帶，fu為頻帶h的上限，fd為頻帶h的下限，P(f)為信號的功率譜密度，h和h2為腦電信號的不同頻帶，R為計算結果定義的比值；對所有受試者進行R值的計算，并對0 IOmin和35 45min的R值進行t_檢驗。本發(fā)明的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，可以進行2D和3D影像的對比，從能量角度分析腦電信號的集中腦區(qū)，為后續(xù)的研究提供實驗基礎，從而為評價3D影像的技術標準提供思路，促進3D影像技術的發(fā)展。


圖I是本發(fā)明中實驗所采用導聯(lián)圖；圖2是本發(fā)明方法的流程圖；圖3是FP2導聯(lián)delta波段的平均功率譜比值圖；圖4是2D和3D兩種實驗條件下，Oz導聯(lián)處alpha波段的平均功率譜；圖5 (a)是2D實驗組的gamma波段的功率譜比值圖；圖5 (b)是3D實驗組的gamma波段的功率譜比值圖；圖6是3D條件下O-IOmin與35_45min后的R值做t_檢驗結果圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法做出詳細說明。本發(fā)明的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，如圖2所示，包括如下步驟(I)設置實驗環(huán)境和條件，安排受試者的實驗順序；包括設置房間內的背景光照度為2. 5 3. 5Lux，選擇受試者必須是初次觀看將要放映的影像，3D電視機位于受試者2. 5 3. 5m的正前方，在觀看3D影像時，佩戴場頻120場/秒的主動快門式3D眼鏡，整個實驗時間為85 lOOmin。還包括將受試者分為兩組，一組先觀看3D模式，后觀看2D模式，另一組先觀看2D模式，后觀看3D模式。本實施例采用美國Neuroscan公司生產的64導數字腦電記錄儀來采集腦電數據。受試者被安排在一個電磁屏蔽良好、隔音效果良好、溫度濕度適宜的房間內進行實驗。通過不透光的窗簾遮擋外部光源，房間內的背景光照度為3Lux。受試者以感覺舒適但不影響數據采集的姿勢坐在扶手椅中。距離實驗對象3m左右的正前方是一臺三星55C8000XF 55英寸3D電視,觀看的影像為3D動畫《Monster Aliens))和《Megamind》。在觀看3D影像時，受試者佩戴場頻120場/秒的主動快門式3D眼鏡。整個實驗時間為95min左右。本實驗中受試者為10人，5人先觀看3D模式，后觀看2D模式，5人先觀看2D模式，后觀看3D模式。(2)解說實驗流程，安置腦電電極，采集受試者觀影前腦電信號2min，并進行第一次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適等方面的問題；所述的采集觀影前腦電信號2min，是采集受試者實驗前靜息狀態(tài)下的腦電信號，閉眼lmin，睜眼lmin，腦電信號的采樣保證電極阻抗小于5000歐姆。
這一時段為實驗前準備階段，此時段由實驗人員向受試者介紹實驗流程。電極的放置位置采用國際10/20系統(tǒng)標準，如圖I所示。電極采用Ag/AgCl電極，并以左耳垂(Ml)和右耳垂(M2)作為雙極參考，腦電信號的采樣頻率為1000Hz，并采用50Hz陷波器去除工頻干擾。實驗中，保證電極阻抗小于5000歐姆。(3)觀看整部影像并采集腦電信號，影像結束后進行第二次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題；所述的觀看影像要求每個受試者觀看2D和3D兩個影像實驗的間隔要在10天以
上。這一時段為觀影時段，本實施例該時段持續(xù)時間80min，要求受試者安靜坐在扶手椅上，觀看影像。按照實驗進度，分別觀看2D或3D模式的影像，影像結束時，進行第二次問卷調查。在整個觀影實驗期間，受試者必須是初次觀看影像，不具有先驗知識，實驗過程中要求受試者保持放松狀態(tài)，不允許有任何的實際動作。整個實驗方案要求每個受試者完成2D和3D兩種實驗，兩種實驗之間，保證每個受試者間隔10天以上，以便進行疲勞恢復。(4)受試者在結束觀影階段后，休息10 20min后，采集腦電信號5min，進行第三次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題；這一時段為恢復期，本實施例中，受試者在結束觀影階段后，休息15min，再次進行問卷調查，并采集休息后的腦電數據，時長5min。(5)對所采集的腦電信號進行預處理，包括(a)對采集的腦電信號進行重設參考、濾波消噪和歸一化處理；數據采集完畢后，為保證后期數據分析的準確性，采用了重設參考、濾波消噪和歸一化處理。(b)利用ICA方法去除眼電，即將信號分解成各個獨立的分量并對分量進行分析；獨立分量分析(ICA)是對信號進行分解，將其分解成各個獨立的分量并對分量進行分析。在未知源信號S及該未知源信號S混疊特性A的情況下，僅從接收到的混合信號X = A*S中提取出源信號。即一組獨立的源信號s (t) = [S1⑴，…，sn(t)]T經過線性系統(tǒng)A混合在一起，得到觀測信號x(t) = [X1 (t),…，xn(t)]T。表示如下
( &(,)、
r n x2(t) s2(t)=A .(I)
vx (0jU(,)y其中，源信號s(t)和混合系統(tǒng)A都是未知的，只有混合后的x(t)可以觀測到。ICA
的任務是在A和S未知的前提下，找到解混矩陣W，使輸出矩陣U = ff*X = ff*A*S (2)式中，x(t)= [X1 (t),…，xn(t)]T 為觀測信號，s(t) = [S1 (t),…，sn(t)]T 為源信號，A為混合系統(tǒng)，S為源信號，U為輸出矩陣，W為解混矩陣，X為混合信號實驗中所采集的腦電信號，因多次眨眼，明顯影響平均功率譜值的計算。我們運用ICA方法分離預處理的腦電信號，找到與眨眼信號相關性最強的分量和噪聲分量，去除這兩個分量，對已保存的解混矩陣W和去除分量后的數據進行求逆，從而重構出去除眼電的腦電信號，為后續(xù)對能量的分析打下基礎。(6)針對預處理所得腦電信號的頻率范圍，進行多個波段的功率譜分析對采集到的實驗數據，在MATLAB 7. 11平臺上進行處理；首先，對腦電數據進行平均功率譜求解，選取相應的數據點進行傅里葉變換，然后取頻譜與該頻譜共軛的乘積，得到功率譜的估計，計算各個波段占總功率譜的百分比值，并對整個實驗時長共85 IOOmin進行直線擬合，尋求整體變化趨勢；其次，在SPSS18. 0平臺上，分別對功率譜數值和百分比值進行單因素方差分析，用以判斷3D和2D兩種實驗條件下的差異；由于實驗持續(xù)時間較長，本實施例中采用的方法是對信號進行分段處理，每隔20min取 IOs數據，對alpha(8_13Hz)、beta(13_30Hz)、delta(l_4Hz)、theta(4_8Hz)四個波段進行功率譜分析，從功率譜分析結果看，被試者的不適感在大約50-60min后比較明顯，具體結果如圖3至圖5中所示。 圖3中顯示了觀影過程中對FP2導聯(lián)記錄數據進行分析的結果，從各個波段在該導聯(lián)處的平均功率譜比值可以看到，對FP2導聯(lián)數據特征量進行直線擬合后，delta波段的功率譜比值表明3D影像實驗組呈現(xiàn)上升趨勢；2D影像實驗組呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。由于delta波段顯示成人出現(xiàn)極度疲勞和昏睡，該結果說明相比較于觀看2D影像，觀看3D影像的受試者在額區(qū)腦電表現(xiàn)出更為明顯的不適感。對于功率譜隨時間的變化情況，用均值輪廓圖來進行比較。圖4所示為對實驗過程中記錄的腦電信號每10分鐘分段計算平均功率譜密度值，進行重復測量的方差分析，橫坐標時間的坐標點分別代表0、10、20、30、40、50、60、70、80min。在進行平均功率譜的計算中，Oz導聯(lián)處的alpha波段，在觀影開始后，2D和3D兩種模式的影像的情況均出現(xiàn)增加趨勢，而且3D影像的增長速度明顯高于2D影像。對兩個實驗組的gamma波段進行對比,從圖5可以看到,額葉的2個導聯(lián)FPz、FP2波形變化趨勢一致，而枕葉的3個導聯(lián)P0z、0z、01波形變化趨勢一致；3D影像實驗組比2D影像實驗組變化更為明顯，在觀影50min后達到峰值。人在感到壓力的狀況下，高頻段腦電信號(如ga_a波)易于觀察，圖5(a)中是2D影像實驗組的gamma波段的功率譜比值圖，圖5 (b)是3D影像實驗組的gamma波段的功率譜比值圖，對gamma波段分析結果表明在較長時間觀影后，被試出現(xiàn)精神緊張、感到壓力增大的情況。(7) R值分析，并進行兩種實驗條件2D和3D的統(tǒng)計學t_檢驗；使用alpha(10-13HZ)和beta(18_22HZ)兩個頻帶的平均功率譜比值作為3D影像致不適感的一個指標，設信號在頻帶h的平均功率譜密度為
權利要求
1.一種觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)設置實驗環(huán)境和條件，安排受試者的實驗順序； (2)解說實驗流程，安置腦電電極，采集受試者觀影前腦電信號2min，并進行第一次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題； (3)觀看整部影片并采集腦電信號，影片結束后進行第二次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題； (4)受試者在結束觀影階段后，休息10 20min后，采集腦電信號5min，進行第三次問卷調查，所述的問卷包括視覺不適感、身體部位不適的問題； (5)對所采集的腦電信號進行預處理，包括 (a)對采集的腦電信號進行重設參考、濾波消噪和歸一化處理； (b)利用ICA方法去除眼電，即將信號分解成各個獨立的分量并對分量進行分析； (6)針對預處理所得腦電信號的頻率范圍，進行多個波段的功率譜分析 對采集到的實驗數據，在MATLAB 7. 11平臺上進行處理；首先，對腦電數據進行平均功率譜求解，選取相應的數據點進行傅里葉變換，然后取頻譜與該頻譜共軛的乘積，得到功率譜的估計，計算各個波段占總功率譜的百分比值，并對整個實驗時長共85 IOOmin進行直線擬合，尋求整體變化趨勢；其次，在SPSS18. O平臺上，分別對功率譜數值和百分比值進行單因素方差分析，用以判斷2D和3D兩種實驗條件下的差異； (7)R值分析，并進行兩種實驗條件2D和3D的統(tǒng)計學t-檢驗。
2.根據權利要求I所述的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，步驟I)包括設置房間內的背景光照度為2. 5 3. 5Lux，選擇受試者必須是初次觀看將要放映的影片，3D電視機位于受試者2. 5 3. 5m的正前方，在觀看3D影像時，佩戴場頻120場/秒的主動快門式3D眼鏡，整個實驗時間為85 lOOmin。
3.根據權利要求I所述的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，步驟I)還包括將受試者分為兩組，一組先觀看3D影像模式，后觀看2D影像模式，另一組先觀看2D模式，后觀看3D模式。
4.根據權利要求I所述的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，步驟2)所述的采集觀影前腦電信號2min，是采集受試者實驗前靜息狀態(tài)下的腦電信號，閉眼lmin，睜眼lmin，腦電信號的采樣保證電極阻抗小于5000歐姆。
5.根據權利要求I所述的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，步驟3)所述的觀看影片要求每個受試者觀看2D和3D兩個影像實驗的間隔要在10天以上。
6.根據權利要求I所述的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，步驟5)所述的利用ICA方法去除眼電，具體是 在未知源信號S及該未知源信號S混疊特性A的情況下，僅從接收到的混合信號X =A· S中提取出源信號，即一組獨立的源信號s (t) = [S1⑴，…，Sn⑴]τ經過混合系統(tǒng)A混合在一起，得到觀測信號X(t) = [X1 (t), ···, xn(t)]T,表示如下
7.根據權利要求I所述的觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法，其特征在于，步驟7)使用alpha為10_13Hz和beta為18_22Hz兩個頻帶的平均功率譜比值作為3D影像致不適感的一個指標，設信號在頻帶h的平均功率譜密度為
全文摘要
一種觀看3D影像致不適感的腦電信號功率譜與R值評價方法設置實驗環(huán)境和條件，安排受試者的實驗順序；解說實驗流程，安置腦電電極，采集受試者觀影前腦電信號2min，進行第一次問卷調查；觀看整部影片并采集腦電信號，影片結束后進行第二次問卷調查；受試者在結束觀影階段后，休息10～20min后，采集腦電信號5min，進行第三次問卷調查；對所采集的腦電信號進行預處理；針對預處理所得腦電信號的頻率范圍，進行多個波段的功率譜分析；R值分析，進行兩種實驗條件2D和3D的統(tǒng)計學t-檢驗。本發(fā)明可以進行2D和3D影像的對比，從能量角度分析腦電信號的集中腦區(qū)，為后續(xù)的研究提供實驗基礎，從而為評價3D影像的技術標準提供思路。
文檔編號A61B5/0476GK102657526SQ20121012129
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權日2012年4月23日
發(fā)明者劉志朋, 尹杰, 殷濤, 靳靜娜 申請人:中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所