CN102133099B - 生物电评估观看3d影像不适的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种生物电评估观看3D影像不适的装置及方法，装置包括有3D播放装置和观看者，从观看者采集脑电信号的脑电采集记录单元和从观看者采集肌电信号的肌电采集记录单元，接收所采集的脑电信号和肌电信号并进行处理的信号处理单元，以及从信号处理单元提取出特征量的特征量提取部分。方法有：系统的初始化设置；采集脑电信号和肌电信号；信号处理。本发明提出了用生物电信号对3D影像不适进行评估的方法，通过采集处理脑电信号和肌电信号提取表征观看3D影像不适的生物电信号特征量，用以评价3D影像装置的播放效果，生物体的脑电信号和肌电信号不受主观感受的影响，是生物体对3D影像装置播放效果的神经电生理反映，因此，是一种可靠性高客观的评价方法。

Description

生物电评估观看3D影像不适的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种评估观看3D影像不适的装置。特别是涉及一种利用生物电信号方法(包括脑电信号和肌电信号)的生物电评估观看3D影像不适的装置及方法。

背景技术

电影《阿凡达》的热映让不少观众生平第一次感受到3D的惊人魅力，引起了社会各界对3D影像的强烈关注。目前3D影像已应用于电视、电影等产品，将来有希望应用于手机、医疗影像、游戏等生活的各个方面，它的应用将引发影像史上的一次革命，2010年美国CES展会上，包括索尼、三星、松下、东芝、LG等国际一线电视厂商纷纷推出3D电视新品，国内康佳、TCL、海尔、海信也有3D产品推出。与2D画面显示相比，3D使画面立体逼真，图像不再局限与屏幕平面上，仿佛能走出屏幕外面，让观众有身临其境的感觉。

3D的成像原理是利用人眼左右分别接受不同画面，然后大脑经过对图像信息进行叠加重生，构成一个具有前后、上下、左右、远近等立体方向效果的影像。用两个或多个分开的镜头模仿人的左眼和右眼，就像人的眼睛看到两幅具有少许区别的图像来制造深度感，从而图像仿佛由屏幕表面向后方延伸，有时又仿佛从屏幕向观众方面伸出，给人立体感。

但是，观看3D影像时有可能引起呕吐、头晕、视觉不适等多种不适现象，其主要原因是由于个体眼睛构造存在差异，例如双眼间距不同、屈光度不同、感光和辨色能力不同、镜片到眼球距离不同等，而3D的拍摄成像和眼镜设计只能依照大部分人的常规数据来进行，对于一些数据外的人群，就很难适应，从而容易使眼部不能正确聚焦，产生影像模糊，重叠等现象，因此，对3D影像播放装置的播放效果进行评估，建立客观定量的评估方法至关重要。

目前，评估3D影像不适的方法分为主观评估和客观评估。主观评估是依据受试者的主观感受或体验来进行评价，主要是采用口述、问卷的方式进行，具有直观、操作简单、易于实现的优点，但是这种方法易受受试者主观因素的影响、准确度不够高；客观评估是受试者视觉功效的变化，视觉活动时间方面协调性的破坏，目前有三种测量方法：使用仪器直接测量、使用棱镜、视力表等工具测量和生物电测量。国内外已有学者用主观方法和仪器测量方法进行了视觉不适评估，而用生物电测量进行评估国内尚未开展，目前，国内外均没有建立相关的评估标准。因此，评估观看立体影像引起的视觉不适程度成为了指导3D技术健康上市，推动3D技术普及的一个必不可少的部分。在国内，中国立体视像产业联盟成立，旗下的数字医疗分会牵头国内生产商、研究机构、医疗机构制定3D影像不适的评估标准，促进该产业的健康发展。

生物电信号是生物体的生命活动状态的反映，是生物医学工程研究的重要手段，广泛应用于生理状态监测、脑功能研究、情感与心理分析等方面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可靠性高且能客观评估评价观看3D影像引起不适，可用于3D影像标准的制定和普及的生物电评估观看3D影像不适的装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种生物电评估观看3D影像不适的装置及方法，其中，生物电评估观看3D影像不适的装置，包括有3D播放装置和观看者，还设置有从观看者采集脑电信号的脑电采集记录单元和从观看者采集肌电信号的肌电采集记录单元，接收所采集的脑电信号和肌电信号并进行处理的信号处理单元，以及从信号处理单元提取出特征量的特征量提取部分。

所述的脑电采集记录单元包括有：依次相连的：用于拾取微弱脑电信号的脑电电极、对脑电信号进行放大和滤噪的脑电信号放大滤波电路、对放大滤波后的脑电信号进行采样转换成数字信号的脑电信号模数转换电路及脑电的显示和记录部分。

所述的脑电电极包括有头皮电极、脑电参考电极和眼电电极，所述的头皮电极采用国际10-20系统标准电极安放法，共21个记录位置，所述的脑电参考电极设置有1对，分别置于左右乳突上，所述的眼电电极设置有2对，其中，1对垂直眼电电极位于左眼中心的上方和下方，1对水平眼电电极，1对水平眼电电极分别安放在左右两只眼睛的外眼角处，与两只眼睛在一个水平线上。

所述的肌电采集记录单元包括有：用于拾取表面肌电信号的肌电电极、对表面肌电信号进行放大和滤噪的肌电信号放大滤波电路、对放大滤波后的肌电信号进行采样转换成数字信号的肌电信号模数转换电路及肌电的显示和记录部分。

所述的肌电电极采用表面肌电电极，包括肌电记录电极和肌电参考电极，所述的肌电记录电极共2个，大小为直径3mm，安放在右眼眼抡匝肌上，具体位置为右眼眼睑下方1.5cm，内外两侧眼角的中间，2个电极间距为1cm，所述的肌电参考电极1个，位于左耳垂上。

所述的信号处理单元采用计算机。

用于生物电评估观看3D影像不适装置的方法，包括如下步骤：

1)系统的初始化设置；

2)采集脑电信号和肌电信号

所述的采集脑电信号和肌电信号包括有：采集试验前静息状态1min的脑电信号和肌电信号；观看3D影像，记录观看者在观看过程中的脑电信号和肌电信号；观看完毕后，休息30min，再次采集静息状态的脑电和肌电信号1min；

3)信号处理；

所述的信号处理包括：提取脑电信号特征值和提取肌电信号特征值，所述脑电信号特征值包括脑电β频段能量的变化和眨眼频率，所述肌电信号的特征值包括：肌电的功率谱密度。

所述的脑电β频段能量的变化由以下步骤得出：

(1)对观看前静息状态1min采集的每一个通道的脑电信号y(n)进行离散傅里叶变换，计算该时间段内每一个通道的β频段的能量值n₀；

(2)对观看过程中记录脑电信号的处理，设定一个2min的时间窗，对该窗内的数据进行离散傅里叶变换，计算该2min时间窗内β频段的能量值；

(3)将时间窗在时间轴上平移，平移的长度为1min，对移动后窗内的数据进行离散傅里叶变换，计算移动窗后时间窗内β频段的能量值；

(4)重复上一步骤n次，直至数据结束，其中n为大于等于1的整数；

(5)每一个通道都得到了n+1个β频段的能量值；

(6)对观看后休息30min后记录的每一个通道1min静息状态脑电信号进行处理进行离散傅里叶变换，计算该时间段内每一个通道的β频段的能量值n_r；

(7)连接n₀、步骤5得到的n+1个能量值及n_r，得到观看者在观看过程中每个通道的β频段的能量变化曲线。

所述的眨眼频率的变化由以下步骤得出：

(1)提取出记录垂直眼电信号的通道数据，包括观看前、观看中和观看后；

(2)分别计算观看前、观看后的眨眼频率，具体方法为：设定一最高阈值和一最低阈值，计算出大于最高阈值的所有值对应的时间点，存到数组max中，对数组max中的数据进行操作，当数组max中相邻两个元素之间存在小于最低阈值的点时，则为眨眼一次，眨眼频率blink加1；

(3)观看中的眨眼频率通过以下方法获得；

将该通道的数据划分为5min的片段，然后计算每一个5min片段的眨眼频率blink，具体方法同步骤(2)；

(4)将观看前的眨眼频率与得到的观看中每个5min内的眨眼频率blink值连接起来得到眨眼频率的变化曲线。

所述的肌电的功率谱密度通过傅里叶变换把时域信号变成频域信号获得。

本发明的生物电评估观看3D影像不适的装置及方法的有益效果是，提出了用生物电信号对3D影像不适进行评估的方法，通过采集处理脑电信号和肌电信号提取表征观看3D影像不适的生物电信号特征量，用以评价3D影像装置的播放效果，生物体的脑电信号和肌电信号不受主观感受的影响，是生物体对3D影像装置播放效果的神经电生理反映，因此，是一种可靠性高客观的评价方法。

附图说明

图1是本发明的原理结构图；

图2是脑电头皮电极和参考电极的位置示意图；

图3是脑电眼电电极和肌电电极的位置示意图；

图4是的生物电评估观看3D影像不适装置工作流程图。

其中：

1：3D播放装置          2；观看者

3：脑电采集记录单元    4：肌电采集记录单元

5：信号处理单元        6：特征量提取部分

7：垂直眼电            8：水平眼电

9：肌电电极

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的生物电评估观看3D影像不适的装置及方法做出详细说明。

本发明所提出的采用生物电测量进行观看3D影像引起不适的评估，是依据观看3D影像时，视神经、脑神经对视差的强力调节引起感觉上的不适，这种不适会引起神经电生理上的变化，通过提取生物电信号，包括脑电信号、肌电信号，能从神经功能和心理学层面，实时反映和客观评价立体影像造成的不适及机理，相比于传统方法更敏感、准确度更高，弥补国内外从生物电信号测量角度对3D影像造成不适进行评估的空白。

如图1所示，本发明的生物电评估观看3D影像不适的装置，包括有3D播放装置1和观看者2，还设置有从观看者2采集脑电信号的脑电采集记录单元3和从观看者2采集肌电信号的肌电采集记录单元4，接收所采集的脑电信号和肌电信号并进行处理的信号处理单元5，还有从信号处理单元5提取出特征量的特征量提取部分6。

观看者观看3D播放装置产生的3D影像，通过脑电采集记录单元和肌电采集记录单元对观看3D影像过程前静息状态1min、过程中、过程后休息30min在采集静息状态1min的脑电信号和肌电进行采集并记录，然后传送到信号处理单元对信号进行处理，提取出特征量的特征。

其中，

所述的脑电采集记录单元3包括有：依次相连的：用于拾取微弱脑电信号的脑电电极、对脑电信号进行放大和滤噪的脑电信号放大滤波电路、对放大滤波后的脑电信号进行采样转换成数字信号的脑电信号模数转换电路及脑电的显示和记录部分。脑电电极拾取的微弱脑电信号通过带屏蔽信号线进入脑电信号放大滤波单元对信号进行放大和滤噪得到较为纯净的脑电信号，通过脑电模数转换对其进行采样转换成数字信号进入脑电显示和记录单元进行显示和记录。

如图2所示，脑电电极采用Neroscan脑电记录与分析系统自带的电极帽，包括有头皮电极、脑电参考电极和眼电电极，所述的头皮电极采用国际10-20系统标准电极安放法，共21个记录位置，所述的脑电参考电极设置有1对，分别置于左右乳突M1、M2上。

如图3所示，所述的眼电电极设置有2对，1对记录垂直眼电电极(VEOL和VEOU)和1对记录水平眼电电极(HEOL和HEOR)，其中，1对垂直眼电电极(VEOL、VEOU)位于左眼中心的上方和下方，1对水平眼电电极(HEOL、HEOR)，1对水平眼电电极分别安放在左右两只眼睛的外眼角处，与两只眼睛在一个水平线上。

所述的肌电采集记录单元4包括有：用于拾取表面肌电信号的肌电电极、对表面肌电信号进行放大和滤噪的肌电信号放大滤波电路、对放大滤波后的肌电信号进行采样转换成数字信号的肌电信号模数转换电路及肌电的显示和记录部分。肌电电极拾取的表面肌电信号通过进入肌电信号放大滤波单元对信号进行放大和滤噪，通过肌电信号模数转换对其进行采样转换成数字信号进入肌电显示和记录单元进行显示和记录。

所述的肌电电极采用表面肌电电极，包括肌电记录电极和肌电参考电极，所述的肌电记录电极共2个，大小为直径3mm，安放在右眼眼抡匝肌上，具体位置为右眼眼睑下方1.5cm，内外两侧眼角的中间，2个电极间距为1cm，所述的肌电参考电极1个，位于左耳垂上。

所述的信号处理单元5由计算机和信号处理软件matlab组成，将记录的脑电信号和肌电信号输入到计算机，用信号处理软件对所记录的数据，进行滤波消噪处理，包括噪声和眼电伪迹，然后编写算法得出信号的特征值。

如图4所示，本发明的用于生物电评估观看3D影像不适装置的方法，包括如下步骤：

1)系统的初始化设置；

2)采集脑电信号和肌电信号

所述的采集脑电信号和肌电信号包括有：采集试验前静息状态1min的脑电信号和肌电信号；观看3D影像，记录观看者在观看过程中的脑电信号和肌电信号；观看完毕后，休息30min，再次采集静息状态的脑电和肌电信号1min；

3)信号处理；

所述的信号处理包括：提取脑电信号特征值和提取肌电信号特征值，所述脑电信号特征值包括脑电β频段能量的变化和眨眼频率，所述肌电信号的特征值包括：肌电的功率谱密度(PSD)，β频段指14Hz-25Hz频率段。

所述的脑电β频段能量的变化由以下步骤得出：

(1)对观看前静息状态1min采集的每一个通道的脑电信号y(n)进行离散傅里叶变换，计算该时间段内每一个通道的β频段的能量值n₀，具体方法如下：

离散傅里叶变换用以下公式实现：

$Y\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}}$

其中

N为信号的采样点数，k＝0，1，…，N-1；

求其功率谱密度为：

P_YY＝|Y(k)|²/N

β频段(14Hz-25Hz)能量值为n₀：

设14Hz和25Hz分别对应的横轴频率点N1和N2，则

$n_0=N\underset{n=N1}{\overset{N2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pyy}$

(2)对观看过程中记录脑电信号的处理，设定一个2min的时间窗，对该窗内的数据进行离散傅里叶变换，计算该2min时间窗内β频段的能量值，具体计算方法同步骤(1)；

(3)将时间窗在时间轴上平移，平移的长度为1min，对移动后窗内的数据进行离散傅里叶变换，计算移动窗后时间窗内β频段的能量值，具体计算方法同步骤(1)；

(4)重复上一步骤n次，直至数据结束，其中n为大于等于1的整数；

(5)每一个通道都得到了n+1个β频段的能量值；

(6)对观看后休息30min后记录的每一个通道1min静息状态脑电信号进行处理进行离散傅里叶变换，计算该时间段内每一个通道的β频段的能量值n_r，具体计算方法同步骤(1)；

(7)连接n₀、步骤5得到的n+1个能量值及n_r，得到观看者在观看过程中每个通道的β频段的能量变化曲线；

所述的眨眼频率的变化由以下步骤得出：

(1)提取出记录垂直眼电信号(VEOG)的通道数据，包括观看前、观看中和观看后；

(2)分别计算观看前、观看后的眨眼频率，具体方法为：设定一最高阈值和一最低阈值，计算出大于最高阈值的所有值对应的时间点，存到数组max中，对数组max中的数据进行操作，当数组max中相邻两个元素之间存在小于最低阈值的点时，则为眨眼一次，眨眼频率(blink)加1；

(3)观看中的眨眼频率通过以下方法获得；

将该通道的数据划分为5min的片段，然后计算每一个5min片段的眨眼频率(blink)，具体方法同步骤(2)；

(4)将观看前的眨眼频率与得到的观看中每个5min内的眨眼频率blink值连接起来得到眨眼频率的变化曲线。

所述的肌电的功率谱密度(PSD)，具体计算方法为：根据下式对采集得到的肌电信号x(n)进行离散傅里叶变换：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}}$

其中

N为信号的采样点数，k＝0，1，…，N-1；

然后根据下式求得X(k)的功率谱密度：

P＝|X(k)|²/N

本发明的一种生物电评估观看3D影像不适的装置与方法通过采集处理脑电信号和肌电信号得到特征量的方法评估观看3D影像不适，能对其进行客观评估，不受观看者主观感受的影响，为3D影像装置标准的制定和普及提供了一种方法，本发明的特征量β频段能量、眨眼频率及肌电功率谱密度可根据扩展到其他的特征量。

Claims (4)

1.一种用于生物电评估观看3D影像不适装置的方法，生物电评估观看3D影像不适装置，包括有3D播放装置（1），还设置有从观看者（2）采集脑电信号的脑电采集记录单元（3）和从观看者（2）采集肌电信号的肌电采集记录单元（4），接收所采集的脑电信号和肌电信号并进行处理的信号处理单元（5），以及从信号处理单元（5）提取出特征量的特征量提取部分（6），所述的肌电采集记录单元（4）包括有：用于拾取表面肌电信号的肌电电极、对表面肌电信号进行放大和滤噪的肌电信号放大滤波电路、对放大滤波后的表面肌电信号进行采样转换成数字信号的肌电信号模数转换电路及肌电的显示和记录部分，所述的肌电电极采用表面肌电电极，包括肌电记录电极和肌电参考电极，所述的肌电记录电极共2个，大小为直径3mm，安放在右眼眼轮匝肌上，具体位置为右眼眼睑下方1.5cm，内外两侧眼角的中间，2个电极间距为1cm，所述的肌电参考电极1个，位于左耳垂上，其特征在于，方法包括如下步骤：

1）装置的初始化设置；

2）采集脑电信号和肌电信号

所述的采集脑电信号和肌电信号包括有：采集试验前静息状态时的1min的脑电信号和肌电信号；记录观看者在观看过程中的脑电信号和肌电信号；然后再次采集观看者观看完毕，休息30min后的静息状态的1min的脑电信号和肌电信号；

3）信号处理；

所述的信号处理包括：从步骤2）采集到的脑电信号和肌电信号中提取脑电信号特征值和提取肌电信号特征值，所述脑电信号特征值包括脑电β频段能量的变化和眨眼频率，所述肌电信号特征值包括：肌电的功率谱密度。

2.根据权利要求1所述的用于生物电评估观看3D影像不适装置的方法，其特征在于，所述的脑电β频段能量的变化由以下步骤得出：

（1）对观看前静息状态1min采集的每一个通道的脑电信号y(n)进行离散傅里叶变换，计算该1min时间段内每一个通道的β频段的能量值n₀；

（2）对观看过程中记录脑电信号的处理，设定一个2min的时间窗，对该窗内的数据进行离散傅里叶变换，计算该2min时间窗内β频段的能量值；

（3）将时间窗在脑电信号的时间轴上平移，平移的长度为1min，对移动后窗内的脑电数据进行离散傅里叶变换，计算移动窗后时间窗内脑电数据β频段的能量值；

（4）重复上一步骤m次，直至数据结束，其中m为大于等于1的整数；

（5）每一个通道都得到了m＋1个β频段的能量值；

（6）对观看后休息30min后记录的每一个通道1min静息状态脑电信号进行离散傅里叶变换处理，计算该1min时间段内每一个通道的β频段的能量值n_r；

（7）连接n₀、步骤5得到的m+1个能量值及n_r，得到观看者在观看过程中每个通道的β频段的能量变化曲线。

3.根据权利要求1所述的用于生物电评估观看3D影像不适装置的方法，其特征在于，所述的眨眼频率的变化由以下步骤得出：

（1）提取出记录的脑电信号中的垂直眼电信号的通道数据，包括观看前、观看中和观看后；

（2）分别计算观看前、观看后的眨眼频率，具体方法为：设定一最高阈值和一最低阈值，计算出垂直眼电信号的通道数据中大于最高阈值的所有值对应的时间点，存到数组max中，对数组max中的数据进行操作，当数组max中相邻两个元素数值时间点之间存在小于最低阈值的点时，则为眨眼一次，眨眼频率加1；

（3）观看中的眨眼频率通过以下方法获得；

将该通道数据划分为5min的片段，然后计算每一个5min片段的眨眼频率，具体方法同步骤（2）；

（4）将观看前的眨眼频率与得到的观看中每个5min内的眨眼频率连接起来得到眨眼频率的变化曲线。

4.根据权利要求1所述的用于生物电评估观看3D影像不适装置的方法，其特征在于，所述的肌电的功率谱密度通过傅里叶变换把时域信号变成频域信号获得，所述的肌电的功率谱密度具体计算方法为：根据下式对采集得到的肌电信号x(n)进行离散傅里叶变换：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}}$

其中N为信号的采样点数，k=0,1，…，N-1，n＝0～N-1；

然后根据下式求得X(k)的功率谱密度：

P=|X(k)|²/N，P为功率谱密度。

Images