基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域與信息技術(shù)領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用，涉及一種事件相關(guān)電 位P300特征提取方法，具體是基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 腦機(jī)接口是一種為運(yùn)動(dòng)功能缺失而腦功能完好的患者，提供與外界交流的新路 徑。P300Speller是腦機(jī)接口的一種方式，其功能是通過(guò)分析用戶的腦電信號(hào)，識(shí)別出其 所希望輸出的字符，從而幫助用戶與外界交流。目前在P300Speller中使用的特征提取方 法為：對(duì)從各通道提取出的EEG數(shù)據(jù)段做下采樣，得到的即作為特征。這種特征提取方法存 在特征不明確的問(wèn)題，從而影響到分類(lèi)器效果，為了保證其準(zhǔn)確率，通常需要較多次刺激重 復(fù)，一般為15次，存在的問(wèn)題是，一方面被試易感到疲勞，另一方面輸出一個(gè)字符需要較多 時(shí)間，從而降低了字符傳輸速率。
[0003] 由于P300成分主要存在于低頻部分，目前已發(fā)表的利用小波變換的一些論文， 一般是對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行多層小波變換。例如在論文《Off-lineanalysisoftheP300 event-relatedpotentialusingdiscretewavelettransform〉〉中對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行 6 層 離散小波變換，將得到小波系數(shù)的近似部分作為特征?；蚴菍?duì)腦電信號(hào)去噪再重構(gòu)信號(hào)，提 取特征。但是兩者的實(shí)用性都不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決了現(xiàn)有技術(shù)中腦電信號(hào)特征提取不明確、實(shí)用性不高的缺陷，本發(fā)明提供 一種基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則相結(jié)合的P300特征提取方法，該方法通過(guò)提取恰當(dāng)特征， 使分類(lèi)器的效果得到提升，在滿足準(zhǔn)確率要求的前提下，能夠達(dá)到減少刺激重復(fù)次數(shù)、提高 字符傳輸速率的目的。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提 取方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1 :對(duì)EEG數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，根據(jù)用戶設(shè)定的傳 輸通道，提取每個(gè)刺激后長(zhǎng)度為4的數(shù)據(jù)段，記為向量把給定小波所對(duì)應(yīng)的低通濾波器 記為向量h，其長(zhǎng)度為12 ;設(shè)置相關(guān)參數(shù)：小波分解層數(shù)L、單通道特征個(gè)數(shù)r;步驟S2 :根據(jù) L、&、12和h確定wxB矩陣W;步驟S3 :把所有的e延拓為n維向量，仍用遺示；步驟S4 : 根據(jù)Fisher準(zhǔn)則，由W和r為每個(gè)通道分別確定一個(gè)rxi!矩陣M ;步驟S5 :對(duì)所有EEG數(shù) 據(jù)段e按通道求特征向量：
，^為r維向量；步驟S6 :將各傳輸通道得到的特征向量 拼接構(gòu)成總特征向量。
[0006] 進(jìn)一步的，所述步驟S2包括以下具體步驟：步驟S21 :k=l,


;步驟S22 :若k等于L，則輸出W;否則進(jìn)入下一步；步驟S23 :
，m=p;步驟S24:把W延拓 為gXB矩陣，仍記為W;步驟S25 :生成矩陣A:
，
;步驟S26 :用AxTST 更新W，k=k+l，返回步驟S22。
[0007] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，步驟S4包括以下具體步驟：步驟S41:把該通道的所有 為目標(biāo)組G+和非目標(biāo)組G、其中G+中的N+個(gè)e為目標(biāo)刺激對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段，G沖的『個(gè)e為非目標(biāo)刺激對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段；步驟S42 :利用公式*1=1%把所有的e轉(zhuǎn)化為4相應(yīng)地，〇分 屬于G+和G、步驟S43 :計(jì)算

為m維向量；步驟S44 :將
按絕對(duì)值由大到小排序，得到
，表示w中 各元素的原位置；步驟S45:根據(jù)設(shè)定的單通道特征個(gè)數(shù)r，取出W的第q，q，___，cv行， 構(gòu)成rxn特征提取矩陣M，其中ISrim。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合了小波變換與Fisher準(zhǔn)則兩種方法 來(lái)確定特征。通過(guò)利用小波變換，將原始EEG數(shù)據(jù)映射到小波域上，在小波域上應(yīng)用Fisher 準(zhǔn)則尋找能將兩類(lèi)數(shù)據(jù)很好地區(qū)分開(kāi)的投影軸，并只取兩類(lèi)差異最大的r維投影空間，作 為最終特征空間，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)高維特征空間的降維，此外所得到的特征空間，是能明顯表 現(xiàn)出兩類(lèi)數(shù)據(jù)的差別，有利于分類(lèi)器性能的提高，減少刺激重復(fù)次數(shù)，提高字符傳輸速率。 并且通過(guò)小波變換矩陣來(lái)為每個(gè)傳輸通道構(gòu)造對(duì)應(yīng)特征提取矩陣，采用特征提取矩陣求各 通道特征，具有在線運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，使本發(fā)明能夠適于實(shí)際應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明的主要步驟流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0011] 本發(fā)明提供一種基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提取方法，用于P300 Speller特征提取，對(duì)每個(gè)刺激對(duì)應(yīng)的EEG數(shù)據(jù)段提取恰當(dāng)特征，提高準(zhǔn)確率，減少刺激重 復(fù)次數(shù)，提高字符傳輸速率。
[0012] 本發(fā)明的主要步驟流程圖參見(jiàn)圖1。該方法包括以下步驟： 步驟S1 :對(duì)EEG數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，根據(jù)用戶設(shè)定的傳輸通道，提取每個(gè)刺激后長(zhǎng)度為li的數(shù)據(jù)段，記為向量把給定小波所對(duì)應(yīng)的低通濾波器記為向量h，其長(zhǎng)度為;設(shè)置相 關(guān)參數(shù)：小波分解層數(shù)L、單通道特征個(gè)數(shù)r; 步驟S2 :根據(jù) 矩陣w; 步驟S3 :把所有的e延拓為n維向量，仍用e表示； 步驟S4 :根據(jù)Fisher準(zhǔn)則，由W和r為每個(gè)通道分別確定一個(gè)rxn矩陣M; 步驟S5 :對(duì)所有EEG數(shù)據(jù)段e按通道求特征向量：v=Afe，r為r維向量； 步驟S6 :將各傳輸通道得到的特征向量拼接構(gòu)成總特征向量。
[0013] 進(jìn)一步的，步驟S2包括以下具體步驟： 步驟S21:k=l，
；初始化W
步驟S22 :若k等于L，則輸出W;否則進(jìn)入下一步； 步驟S23 :
，m=p; 步驟S24:把W延拓為矩陣，仍記為W; 步驟S25:生成矩陣A
步驟S26 :用Ax曹更新W，k=k+l，返回步驟S22。
[0014] 在本發(fā)明一實(shí)施例中步驟S4包括以下具體步驟： 步驟S41:把該通道的所有為目標(biāo)組G+和非目標(biāo)組(T，其中G+中的N+個(gè)e為目標(biāo) 刺激對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段，G沖的N，e為非目標(biāo)刺激對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段； 步驟S42 :利用公式il=IFe把所有的禱專(zhuān)化為4相應(yīng)地，〇分屬于G+和(T; 步驟S43 :計(jì)_

為m維向量； 步驟S44:將
按絕對(duì)值由大到小排序，得到
，其中
，表示AJ中各元素的原位置； 步驟S45:根據(jù)設(shè)定的單通道特征個(gè)數(shù)r，取出W的第<%，4，_"，行，構(gòu)成rxH特 征提取矩陣M，其中ISrSiii。
[0015] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，選擇小波為"db4"小波，即可確定對(duì)應(yīng)的低通濾波器h及其 長(zhǎng)度12,對(duì)參數(shù)L、&、r可按如下設(shè)定：L=4, & =800,r=15。
[0016] 以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利范圍的限制。 應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做 出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提取方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟Sl :對(duì)EEG數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，根據(jù)用戶設(shè)定的傳輸通道，提取每個(gè)刺激后長(zhǎng)度為 的數(shù)據(jù)段，記為向量把給定小波所對(duì)應(yīng)的低通濾波器記為向量h，其長(zhǎng)度為?2 ;設(shè)置相 關(guān)參數(shù)：小波分解層數(shù)U單通道特征個(gè)數(shù)r ; 步驟S2 :根據(jù)L、I1、?3和h確定 JRXlS 矩陣w; 步驟S3 :把所有的e延拓為η維向量，仍用e表示； 步驟S4 :根據(jù)Fisher準(zhǔn)則，由W和r為每個(gè)通道分別確定一個(gè)m矩陣M ; 步驟S5 :對(duì)所有EEG數(shù)據(jù)段e按通道求特征向量：V = Me，r為r維向量； 步驟S6 :將各傳輸通道得到的特征向量拼接構(gòu)成總特征向量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提取方法，其特征 在于：所述步驟S2包括以下具體步驟： 步驟S21:k=l，；初始化1:，先令〇 ? I =1,2,---,?* ? J=W---,η， 再令= ?，?=:!，】,--、》!*，; 步驟S22 :若k等于L，則輸出W ;否則進(jìn)入下一步； 步驟 S23 :, m=p ； 步驟S24:把W延拓為矩陣，仍記為W;步驟S25 :生成矩陣A: ，先令= 〇，，-， J 二 12，凡 再令 =乓，?: = - - ,|1，? = Xt - - ,?2 ; 步驟S26 :用AxW更新W，k=k+l，返回步驟S22。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小波變換與Fisher準(zhǔn)則的P300特征提取方法，其特征 在于：步驟S4包括以下具體步驟： 步驟S41 :把該通道的所有為目標(biāo)組G +和非目標(biāo)組0-，其中G+中的N +個(gè)e為目標(biāo) 刺激對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段，G沖的N，e為非目標(biāo)刺激對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)段； 步驟S42 :利用公式rf = Iife把所有的e轉(zhuǎn)化為忒相應(yīng)地，〇分屬于G +和0-; 步驟S43 :計(jì);S，Hf為m維向量； 步驟S44 :將》二按絕對(duì)值由大到小排序，得到[氣》氣氣】，其中 表示講中各元素的原位置； 步驟S45:根據(jù)設(shè)定的單通道特征個(gè)數(shù)r，取出W的第C1, C2，_"，c,行，構(gòu)成rxn特 征提取矩陣M，其中IirSm。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明以小波變換與Fisher準(zhǔn)則相結(jié)合為基礎(chǔ)提供了一種針對(duì)P300 Speller腦機(jī)接口的腦電信號(hào)特征提取方法。主要包括以下步驟：根據(jù)用戶指定的小波函數(shù)及小波分解層數(shù)，為特定長(zhǎng)度的EEG數(shù)據(jù)段構(gòu)造小波變換矩陣；利用小波變換矩陣，將EEG數(shù)據(jù)段映射到小波域，在小波域中利用Fisher準(zhǔn)則尋找使得不同類(lèi)別數(shù)據(jù)區(qū)分度最大的投影軸；利用投影軸從小波變換矩陣中抽取若干行構(gòu)成特征提取矩陣；每個(gè)通道的特征提取矩陣把對(duì)應(yīng)的EEG數(shù)據(jù)段映射為特征向量；每次刺激在各通道上的特征向量被拼接為一個(gè)特征向量。該方法為每次刺激對(duì)應(yīng)的EEG數(shù)據(jù)段計(jì)算特征向量，在滿足準(zhǔn)確率要求的前提下，能減少刺激重復(fù)次數(shù)，從而提高字符傳輸速率。
【IPC分類(lèi)】G06K9/00, G06K9/62
【公開(kāi)號(hào)】CN104899573
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510339891
【發(fā)明人】黃志華, 郭順英, 林蘇云, 文宇坤
【申請(qǐng)人】福州大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年6月18日