CN102500105B

CN102500105B - 基于脑机接口的游戏装置及其游戏方法

Info

Publication number: CN102500105B
Application number: CN201110387058.2A
Authority: CN
Inventors: 张莉; 王宇丁; 陈民铀; 何传红; 简文娟
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN102500105A

Abstract

基于脑机接口的游戏装置，它包括有电极、脑电信号采集盒和PC机。电极，用于采集操作者睁、闭眼时产生的原始模拟脑电信号；脑电信号采集盒，将采集到的原始模拟脑电信号进行放大、滤波、模数转换，并传输至PC机；PC机，接收脑电信号采集盒发送的数字信号，进行滤波、能量平均处理，与门限电压进行比较，产生控制脉冲指令，用于控制游戏目标操作。操作者可以通过睁、闭眼调节脑电信号，实现对游戏快速而可靠地实时操作控制，游戏操作简单，其脑电信号采集具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等特点。

Description

基于脑机接口的游戏装置及其游戏方法

技术领域

本发明涉及一种游戏装置和方法，特别是一种基于脑机接口的装置和方法。

背景技术

脑－机接口（Brain Computer Interface， BCI）是一种由人脑与计算机或其它电子设备建立起来的，基于脑电信号而不倚赖于外周神经和肌肉组织这些常规的人脑信息输出通道，实现人与外界信息交流和控制的全新通讯系统。BCI研究的目的就是要从各种不同的脑电信号中识别出使用者的意图。这将为那些由于受到肌萎缩性脊髓侧索硬化、脑干损伤、严重脊髓损伤等疾病影响，或是由于车祸等不幸事件而完全失去行为能力但思维正常的人搭建新的与外部世界交流的通道。

alpha波为自发脑电信号的主要成分之一，与视觉皮层的闲散节律相对应，频率为8~13Hz,振幅约为20~100μv。清醒闭目时alpha波出现,睁眼、思考问题，或接受其他刺激时, alpha波消失而出现快波，这一现象称为alpha波阻断现象。整个大脑皮层都产生alpha波，但是在枕部最为明显。几乎所有脑神经功能正常的人在短时间闭眼后，脑电中alpha波幅值均可明显增强，不同个体的alpha波幅值虽然具有明显个体差异，但是同一个体在睁眼、闭眼两种状态下alpha波幅值具有明显差异。因此，通过改变人的睁眼和闭眼动作，调节其alpha波，就可以实现简单的BCI操作。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种基于脑机接口的游戏装置，操作者可以通过睁、闭眼调节脑电信号，实现对游戏的操作控制，其脑电信号采集具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等特点。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有电极、脑电信号采集盒和PC机，

电极，用于采集操作者睁、闭眼时的产生的原始模拟脑电信号，将传输至脑电信号采集盒；

脑电信号采集盒，将采集到的原始模拟脑电信号进行放大、滤波、模数转换，并传输至PC机；

PC机，接收脑电信号采集盒发送的数字信号，进行滤波、能量平均处理，与门限电压进行比较，产生控制脉冲指令，用于控制游戏目标操作。

进一步，所述脑电信号采集盒包括有信号采集盒和信号转发盒

信号采集盒，用于采集原始模拟脑电信号，对采集的信号进行放大、消除电平、模数转换，并将信号发送至信号转发盒；

信号转发盒，接收到来自信号采集盒的信号，进行处理并上传至PC机。

进一步，所述信号采集盒包括有前置放大电路、基线漂移电路、高频滤波器、低频滤波放大器、电平迁移电路、程控放大电路、模数转换电路和无线发射器，

前置放大电路，电极采集到的原始模拟脑电信号通过前置放大电路进行信号放大；

基线漂移电路，将前置放大电路放大后的模拟信号进行限幅处理，防止信号波峰超出测量范围；

高频滤波器，对基线漂移电路处理后的模拟信号进行高频滤波；

低频滤波放大器，对经高频滤波后的模拟信号进行低频滤波处理，并对其进行二次放大；

电平迁移电路，将低频滤波放大器处理后的信号的基线电平调整到1.1V；

程控放大电路，对电平迁移电路处理后的信号进行三次放大；

模数转换电路，对处理后的模拟信号进行采样转换为数字信号；

无线发射器，将处理完成后的数字信号发送至信号转发盒。

进一步，所述信号转发盒包括有无线接收器、微处理器和USB接口芯片

无线接收器，用于接收信号采集盒传送的无线数字信号；

微处理器，对接收到的数字信号进行格式转换；

USB接口芯片，将转化后的信号通过USB接口传送至PC机。

进一步，所述信号采集盒还包括有输入保护电路，将电极采集到的信号电压进行限制。

本发明的另一个目的就是提供一种基于脑机接口的游戏方法，它通过记录操作者睁、闭眼产生的脑电波，发出对游戏的操作指令进行游戏。

本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，其步骤如下：

1）采集操作者睁、闭眼时的产生的原始模拟脑电信号；

2）对电极采集到的脑电波模拟信号进行放大、滤波、模数转换，通过脑电波信号区分操作者是睁或闭眼状态，设置在睁眼状态下输出控制命令“0”，闭眼状态下输出控制命令“1”；

3）将操作者通过睁、闭眼输出的控制命令输入游戏，转换为游戏对应的操作动作，完成对游戏的控制过程。

进一步，步骤2）中所述区分操作者睁或闭眼状态的具体方法为：对每T时间内的脑电波信号alpha波进行一次平均能量计算

N为T时间内的信号采样数，第i导的第j个采样数据；

将计算得到的均值能量E与预先设定的阈值Eref进行比较，均值能量E小于预先设定的阈值Eref，则判断操作者为睁眼状态，均值能量E大于预先设定的阈值Eref，则判断操作者为闭眼状态。

进一步，时间T为600ms。

进一步，阈值Eref的计算公式为

Vo为受试者睁眼时的alpha波幅值平均值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明实现了脑电信号的采集及无线传输，并通过操作者的睁眼闭眼行为，自主调节脑电信号alpha波，实现对游戏目标的快速而可靠地实时控制，游戏操作简单。该系统实现的简单的人机游戏，可以为行动能力障碍但思维正常的病人，甚至为正常人提供全新的娱乐方式，能极大地增加生活的乐趣，改善生活品质，降低社会成本，减轻家人和社会的负担。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为游戏装置的结构示意图；

图2为信号采集盒信号处理流程图；

图3为游戏方法的流程框图；

图4为alpha脑电波波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于脑机接口的游戏装置，它包括有电极、脑电信号采集盒和PC机，

对于行动能力障碍但思维正常的病人，无法通过手脚和肢体的活动来完成游戏操作，通过对其睁、闭眼行为的控制，操作者可以根据意愿操纵alpha脑电波的产生和阻断，电极采集脑电波信号，通过脑电信号采集盒和PC机的处理，得到操作者是睁或闭眼的操作，PC机根据操作者睁、闭眼操作转化为游戏里对应的指令，完成对游戏目标的操作过程。

所述脑电信号采集盒包括有信号采集盒和信号转发盒

工作时，信号采集盒放置于操作者一端，信号转发盒放置于PC机一端，使操作者可以远距离进行操作，使用方便。

所述信号采集盒包括有前置放大电路、基线漂移电路、高频滤波器、低频滤波放大器、电平迁移电路、程控放大电路、模数转换电路和无线发射器，

无线发射器，将处理完成后的数字信号发送至信号转发盒。

信号采集盒对信号进行三次放大，高、低频滤波，限幅处理和基线电平调整，将模拟脑电信号转换为数字信号，完成操作者输入信号的处理。

所述信号转发盒包括有无线接收器、微处理器和USB接口芯片

无线接收器，用于接收信号采集盒传送的无线数字信号；

微处理器，对接收到的数字信号进行格式转换；

USB接口芯片，将转化后的信号通过USB接口传送至PC机。

本装置分三级实现系统的放大增益，前置级放大电路采用AD8221仪表放大器，可以很好的去除极化电压和共模信号，其放大倍数10.15倍。前置级放大输出的脑电信号仍然存在基线不稳的情况，基线漂移严重时输出会超过放大器动态范围，测不出脑电信号，所以在前置级电路后面加上去基线漂移电路即限幅电路。经过去基线漂移的脑电信号还必须通过高频及低频滤波才能被识别，在低通滤波电路中同时能够放大，放大倍数为100倍。然后通过电平迁移电路把信号的基线电平调整到1.1V左右，再通过程控放大电路进行可调增益的后级放大，放大倍数为1~32倍。无线接收器接收到信号后通过处理，发送至PC机，由PC机对信号进行后续控制指令的生成。

本发明所涉及的系统具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等特点，此外，采用了数字化无线传输的方式传输脑电信号，使系统的使用灵活、方便。

游戏的操作是基于操作者对自身脑电信号的控制完成的，本发明实现了一种新颖的娱乐方式。

为了保证模拟脑电信号在测量范围内，所述信号采集盒还包括有输入保护电路，将电极采集到的信号电压进行限制。

一种基于脑机接口的游戏方法，其步骤如下：

1）采集操作者睁、闭眼时的产生的原始模拟脑电信号；

2）对电极采集到的原始模拟脑电信号进行放大、滤波、模数转换，通过脑电信号区分操作者是睁或闭眼状态，设置在睁眼状态下输出控制命令“0”，闭眼状态下输出控制命令“1”；

实施例一：

游戏为控制光标沿指定路线由起始点移动至终点，游戏操作者在游戏过程中允许出现失误，如短暂的偏离路线，只要能够调整回路线，并最终走到终点，游戏成功，此时界面中会显示相应的游戏完成时间。

该游戏具体操作方式为：

若操作者希望光标向上运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到一声语音提示音后睁眼；

若操作者希望光标向下运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到两声语音提示音后睁眼；

若操作者希望光标向左运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到三声语音提示音后睁眼；

若操作者希望光标向上运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到四声语音提示音后睁眼；

若操作者希望重新开始游戏，那么他需要保持闭眼状态，直到听到五声语音提示音后睁眼。

若操作者希望暂停游戏，那么他需要保持闭眼状态，直到听到六声语音提示音后睁眼。

当选中上述某项操作时，游戏界面右方相应的操作指示灯会点亮。

该游戏输出的控制信号与所对应的命令如下表所示：

表1 第一种游戏中产生的控制信号及相应的命令

控制信号	010	0110	01110	011110	0111110	01111110
							命令	上	下	左	右	重新开始	暂停

实施例二：

游戏为俄罗斯方块游戏，游戏过程中，方块会按照一定速度不断从屏幕上方向下方移动，根据受试者的个人情况和对光标控制的熟练程度，在游戏开始前可自主选择游戏等级，等级越高代表方块下降速度越快。界面中会有下次出现的方块的提示。

该游戏具体操作方式为：

若操作者希望方块向左运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到一声语音提示音后睁眼；

若操作者希望方块向右运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到两声语音提示音后睁眼；

若操作者希望方块旋转90度，那么他需要保持闭眼状态，直到听到三声语音提示音后睁眼；

若操作者希望方块向下运动，那么他需要保持闭眼状态，直到听到四声语音提示音后睁眼；

该游戏输出的控制信号与所对应的命令如下表所示：

表2 第二种游戏中产生的控制信号及相应的命令

控制信号	010	0110	01110	011110	0111110	01111110
							命令	左	右	旋转90度	下	重新开始	暂停

步骤2）中所述区分操作者睁或闭眼状态的具体方法为：对每T时间内的脑电波信号alpha波进行一次平均能量计算

N为T时间内的信号采样数，第i导的第j个采样数据；

能量阈值的设定因受试者不同而异，系统操作前需进行测试实验，用以设定能量阈值。

将滤波后的alpha脑电波信号能量进行平均处理，适当的平均处理时间可以有效提高系统抗干扰能力，如眨眼，打哈欠等。过大的平均处理时间又会降低系统的灵敏度。平均处理时间同时也是提示音间隔时间，需考虑受试者反应速度。通过统计分析多次实验数据将时间T设为600ms。

阈值Eref的计算公式为

Vo为受试者睁眼时的alpha波幅值平均值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.基于脑机接口的游戏方法，其特征在于，其步骤如下：

1)采集操作者睁、闭眼时的产生的原始模拟脑电信号；

2)对电极采集到的原始模拟脑电信号进行放大、滤波、模数转换，通过脑电信号区分操作者是睁或闭眼状态，设置在睁眼状态下输出控制命令“0”，闭眼状态下输出控制命令“1”；

3)将操作者通过睁、闭眼并结合语音提示输出的控制命令输入游戏，转换为游戏对应的操作动作，完成对游戏的控制过程；

步骤2)中所述区分操作者睁或闭眼状态的具体方法为：对每T时间内的脑电波信号alpha波进行一次平均能量计算

E = \frac{1}{N} Σ_{j = 1}^{N} x_{ij}^{2}

N为T时间内的信号采样数，x_ij第i导的第j个采样数据；

将计算得到的均值能量E与预先设定的阈值Eref进行比较，均值能量E小于预先设定的阈值Eref，则判断操作者为睁眼状态，均值能量E大于预先设定的阈值Eref，则判断操作者为闭眼状态。

2.如权利要求1所述的基于脑机接口的游戏方法，其特征在于：时间T为600ms。

3.如权利要求2所述的基于脑机接口的游戏方法，其特征在于：阈值Eref的计算公式为

Eref＝(max(V_o)+2)²

Vo为受试者睁眼时的alpha波幅值平均值。