KR101619973B1 - Motor imagery eeg classification using spectrum analysis and vector quantization - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 뇌전도(Electroencephalogram, EEG)신호를 스펙트럼 분석을 통해 시간-주파수 도메인의 특징을 추출하고 벡터 양자화 과정을 통해 신호를 분류하여 운동상상 뇌전도를 판별할 수 있는 시스템 및 판별 방법에 관한 것으로, 뇌전도 수신부가 사용자의 뇌전도(Electroencephalogram, EEG) 신호를 수신하는 단계와, 뇌전도 필터링부가 수신한 상기 뇌전도 신호에 대해 특정 영역의 주파수 대역으로 필터링 하는 단계와, 특징 벡터 추출부가 필터링된 뇌전도 신호로부터 특징 벡터를 추출하는 단계와, 벡터 양자화부가 추출된 특징 벡터에 대해 코드북(CodeBook) 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행하는 단계 및 특징 분류부가 양자화된 특징 벡터의 클래스(class)를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 특징 벡터를 추출하는 단계에서, 추출된 상기 특징 벡터는 시간-공간 형태의 특징을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a system and a discrimination method for extracting characteristics of a time-frequency domain through spectral analysis of an electroencephalogram (EEG) signal and classifying signals by vector quantization, The method comprising the steps of: receiving an electroencephalogram (EEG) signal of a user from an electroencephalogram receiving unit; filtering the electroencephalogram signal received by the electroencephalogram filtering unit with a frequency band of a specific region; Performing a vector quantization using a code book dictionary with respect to the extracted feature vector, and selecting a class of the feature vector from the feature classifier, In the step of extracting the feature vector, the extracted feature vector is converted into a time- It characterized in that it comprises the features womb.
Description
본 발명은 운동 상상 뇌전도 판별 시스템 및 이를 이용한 판별방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 뇌전도(Electroencephalogram, EEG)신호를 스펙트럼 분석을 통해 시간-주파수 도메인의 특징을 추출하고 벡터 양자화 과정을 통해 신호를 분류하여 운동상상 뇌전도를 판별할 수 있는 시스템 및 판별 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a system and method for identifying a motion imaginary EEG, and more particularly, to a method and apparatus for extracting characteristics of a time-frequency domain from an electroencephalogram (EEG) signal through spectral analysis, And to a system and a discrimination method capable of discriminating the motion imaginary brain conduction.
일반적으로, HCI는 Human Computer Interaction의 약칭으로 인간과 컴퓨터 간의 상호작용에 관한 것으로, 인간과 컴퓨터가 쉽고 편하게 상호작용할 수 있도록 작동시스템을 디자인하고 평가하는 과정을 다루고 있다.In general, HCI is an abbreviation of Human Computer Interaction. It deals with the interaction between human and computer. It deals with the process of designing and evaluating the operating system so that human and computer can interact easily and easily.
전통적인 HCI는 개인과 컴퓨터 그리고 상호작용이라는 세 가지 요소로 바라볼 수 있으며, 개인이 컴퓨터라는 기계를 이용하여 자기가 할 일을 쉽고 편리하게 수행할 수 있는 시스템을 개발하는 분야라 할 수 있다.Traditional HCI can be viewed as three components: individual, computer, and interaction. It is a field in which a person can develop a system that can easily and conveniently perform his / her tasks using a machine called a computer.
BCI(Brain Computer Interface)는 인간의 뇌와 컴퓨터 간의 상호 커뮤니케이션 하는 것을 의미하며, 특히 HCI분야에서도 각광을 받고 있는 분야이다. BCI는 신경계와 뇌신경계 사이에서 발생하는 뇌전도(EEG)신호를 이용하여 측정을 할 수 있다.BCI (Brain Computer Interface) means communication between a human brain and a computer. BCI can be measured using the EEG signal generated between the nervous system and the cranial nervous system.
BCI는 신체의 움직임 없이 사람의 의도를 뇌신호를 통해 제공하므로 신체의 일부를 사용할 수 없는 사람들에게 새로운 인터페이스 수단을 제공하게 되며 삶의 질의 향상을 기할 수 있는 특징이 있다.BCI provides a new interface means to those who can not use part of the body because it provides the intention of the person through the brain signal without movement of the body, and it can improve the quality of life.
BCI를 이용하여 제어를 시도하는 경우 사람의 의도에 따라 특정한 패턴의 EEG 신호가 발생하게 되고, BCI 시스템의 신호처리 알고리즘을 이용하여 이 신호로부터 의미있는 정보를 추출할 수 있다.When control is attempted using BCI, a specific pattern of EEG signal is generated according to human intention, and meaningful information can be extracted from this signal using the signal processing algorithm of BCI system.
또한, ERSP(Event-Related Spectral Perturbation)을 이용한 CFE(Channel-Frequency-ERSP) 맵을 통해, 다채널로 구성된 EEG 신호에서 의미 있는 소수의 최적의 채널을 선택할 수 있는 기술이 개시되고 있다.In addition, a technology for selecting a meaningful few number of optimal channels from a multi-channel EEG signal through a CFE (Channel-Frequency-ERSP) map using Event-Related Spectral Perturbation (ERSP) is disclosed.
또한, EEG 신호의 시간에 따른 비정상적(non-stationary) 특징을 고려하여 각 시간-주파수 공간에 대한 비동질 공간 필터의 최적화 방법으로, CSP(Common Spatial Pattern)를 이용한 공간 필터와 시간 분할을 진행하여 시간-주파수 세그먼트를 구하는 기술이 개시되고 있다.In addition, as a non-homogeneous spatial filter optimization method for each time-frequency space in consideration of non-stationary characteristics of the EEG signal with time, a spatial filter using CSP (Common Spatial Pattern) A technique for obtaining time-frequency segments is disclosed.
또한, CSP 공간 필터를 개량한 iCSSP(Invariant Common Spatio-Spectral Pattern)에 대한 기술도 개시되고 있다.Also, a technique for an Invariant Common Spatio-Spectral Pattern (iCSSP) in which a CSP spatial filter is improved is also disclosed.
그러나, 종래의 기술들은 뇌전도 판별을 위해 복잡한 신호 처리 공정이 필요하다는 단점이 있다.However, conventional techniques have a disadvantage in that a complicated signal processing process is required to discriminate the EEG.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스펙트럼 분석을 통한 시간-주파수 도메인의 특징 추출과 벡터 양자화 과정을 통해 뇌전도 신호를 분류함으로써 용이하게 운동상상 뇌전도를 판별할 수 있는 뇌전도 판별 시스템 및 이를 이용한 판별 방법의 제공을 목적으로 한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been conceived to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for classifying an EEG signal through classification of time- frequency domain features and vector quantization through spectral analysis, System and a discrimination method using the same.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 뇌전도 수신부가 사용자의 뇌전도(Electroencephalogram, EEG) 신호를 수신하는 단계와, 뇌전도 필터링부가 수신한 상기 뇌전도 신호에 대해 특정 영역의 주파수 대역으로 필터링 하는 단계와, 특징 벡터 추출부가 필터링된 뇌전도 신호로부터 특징 벡터를 추출하는 단계와, 벡터 양자화부가 추출된 특징 벡터에 대해 코드북(CodeBook) 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행하는 단계 및 특징 분류부가 양자화된 특징 벡터의 클래스(class)를 선택하는 단계를 포함하고, 상기 특징 벡터를 추출하는 단계에서, 추출된 상기 특징 벡터는 시간-공간 형태의 특징을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a method of discriminating a motion imaginary brain image using spectral analysis and vector quantization according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: receiving an electroencephalogram (EEG) signal of a user from an electroencephalogram receiver; Extracting a feature vector from the EEG signal filtered by the feature vector extracting unit; and using a codebook dictionary for the feature vector extracted by the vector quantization unit, And a step of selecting a class of the quantized feature vector, wherein in the step of extracting the feature vector, the extracted feature vector has a feature of time-space type .
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 필터링 단계에서, 상기 뇌전도 필터링부는 8∼30㎐ 대역의 신호만 통과되도록 상기 뇌전도 신호를 필터링하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention is characterized in that, in the filtering step, the EEG filtering unit filters the EEG signal so that only signals in the 8 to 30 Hz band pass.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 뇌전 필터링부가 버터워스(Butterworth) 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the motion imaginary brain image discrimination method using spectrum analysis and vector quantization according to the present invention is characterized in that the brain image filtering section includes a Butterworth filter.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 특징 벡터를 추출하는 단계에서, 상기 특징 벡터 추출부는 STFT(Short-Time Fourier Transform) 방법을 이용하여 상기 특징 벡터를 추출하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the method of discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention, in the step of extracting the feature vector, the feature vector extracting unit extracts the feature vector using a STFT (Short-Time Fourier Transform) .
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 벡터 양자화 단계에서 상기 벡터 양자화부가 각각의 특징 벡터들을 가장 가까운 중심 벡터로 대체하여 벡터 양자화하는 것을 특징으로 한다.The method of discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention is characterized in that in the vector quantization step, the vector quantization unit replaces each feature vector with the closest center vector and performs vector quantization.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 벡터 양자화부가 다음의 식을 포함하는 유클리디안 거리 방식을 사용하여 중심 벡터를 선택하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention is characterized in that the vector quantization unit selects a center vector using an Euclidean distance method including the following equation.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 특징 분류부가 다음의 식을 이용하여 상기 클래스(class) 선택하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention is characterized in that the feature classifier selects the class using the following equation.
여기에서, vi는 i번째 벡터에 대응되는 코드북 사전의 인덱스 값을 나타낸다.Here, vi represents the index value of the codebook dictionary corresponding to the i-th vector.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 특징 벡터를 각각 추출하는 단계 후에, 클러스터링부가 추출된 특징 벡터들을 클러스터링하여 일정 개수의 대표 특징 벡터를 생성하는 단계 및 코드북 생성부가 대표 특징 벡터를 이용하여 코드북 사전을 생성하는 단계를 포함하여 상기 벡터 양자화 단계에서 사용되는 상기 코드북 사전을 이루는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention comprises the steps of: extracting the feature vectors and then generating a certain number of representative feature vectors by clustering the extracted feature vectors; And the codebook generator generates the codebook dictionary using the representative feature vector, thereby forming the codebook dictionary used in the vector quantization step.
또한, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법은, 상기 클러스터링부가 LBG(Linde-Buzo-Gray) 알고리즘을 사용하여 상기 특징 벡터들을 클러스터링하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of discriminating the kinetic imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention is characterized in that the feature vectors are clustered using the Linde-Buzo-Gray (LBG) algorithm of the clustering part.
본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템은, 뇌전도(Electroencephalogram, EEG) 신호를 수신하는 뇌전도 수신부와, 수신한 상기 뇌전도 신호를 특정 영역의 주파수 대역으로 필터링 하는 뇌전도 필터링부와, 필터링된 뇌전도 신호로부터 시간-공간 형태의 특징을 포함하는 특징 벡터를 추출하는 특징 벡터 추출부와, 추출된 다수의 특징 벡터를 클러스터링하여 일정 개수의 대표 특징 벡터를 생성하는 클러스터링부와, 생성된 상기 대표 특징 벡터를 이용하여 코드북(CodeBook) 사전을 생성하는 코드북 생성부와, 상기 특징 벡터 추출부에서 추출된 상기 특징 벡터에 대해 상기 코드북 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행하는 벡터 양자화부 및 상기 양자화된 특징 벡터의 클래스(class)를 선택하는 특징 분류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.A motion imaginary brain image discrimination system using spectral analysis and vector quantization according to an embodiment of the present invention includes an electroencephalogram (EEG) signal receiving unit for receiving an electroencephalogram (EEG) signal, an electroencephalogram A clustering unit for clustering the extracted feature vectors and generating a predetermined number of representative feature vectors; a clustering unit for clustering the extracted feature vectors to generate a predetermined number of representative feature vectors; A codebook generator for generating a codebook dictionary using the generated representative feature vectors; a vector quantizer for performing vector quantization using the codebook dictionary for the feature vector extracted by the feature vector extractor; And a feature classifying unit for selecting a class of the quantized feature vector, It characterized in that it comprises.
본 발명의 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템 및 이를 이용한 판별 방법에 따르면, STFT(Short-Time Fourier Transform) 알고리즘을 이용한 스펙트럼 분석을 통해 시간-주파수 도메인의 특징을 추출하고, LBG(Linde-Buzo-Gray) 알고리즘을 이용한 벡터 양자화 과정을 통해 운동상상 뇌전도 신호를 판별할 수 있는 이점이 있다.According to the system for discriminating motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention and the discrimination method using the same, time-frequency domain characteristics are extracted through spectrum analysis using a short-time Fourier transform (STFT) algorithm and LBG The Linde-Buzo-Gray algorithm can be applied to vector quantization.
또한, 본 발명에 따르면 운동 상상 뇌전도 신호를 정확히 판별함으로써 신체의 움직임 없이 신체의 일부를 사용할 수 없는 사람들에게 새로운 인터페이스 수단을 제공할 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to provide a new interface means to people who can not use a part of the body without movement of the body by accurately discriminating the motion imaginary brain conduction signal.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2 및 도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 특징 벡터의 클래스의 확률을 결정하는 방법을 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 뇌전도 신호의 타이밍 구조를 예시적으로 나타내는 예시도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 코드북 크기에 따른 성능 결과를 예시적으로 나타내는 예시도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically showing a motion imaginary brain image discrimination system using spectral analysis and vector quantization according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 and FIG. 3 are flowcharts illustrating a method of identifying a motion imaginary brain image using spectral analysis and vector quantization according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram illustrating a method for determining the probability of a class of a feature vector according to the present invention.
5 is an exemplary diagram illustrating a timing structure of an electroencephalogram signal according to the present invention.
6 is an exemplary diagram illustrating exemplary performance results according to the size of a codebook according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.FIG. 1 is a block diagram schematically showing a motion imaginary brain image discrimination system using spectral analysis and vector quantization according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템(100)은 뇌전도 수신부(110), 뇌전도 필터링부(120), 특징 벡터 추출부(130), 벡터 양자화부(140), 특징 분류부(150), 클러스터링부(160) 및 코드북 생성부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to the drawings, a motion imaginary brain
뇌전도 수신부(110)는 사용자 또는 다수의 사용자로부터 측정되는 뇌전도(Electroencephalogram, EEG) 신호를 구체적으로 도시하지는 않았지만 유선 또는 무선으로 수신할 수 있다.The electroencephalogram (EEG) signal measured by a user or a plurality of users is not specifically shown but can be received by wire or wireless.
뇌전도 필터링부(120)에서는 밴드 패스 필터로, 예를 들어, 버터워스(Butterworth) 필터를 포함하고, 뇌전도 수신부(110)를 통해 수신한 뇌전도 신호를 특정 영역의 주파수 대역, 구체적으로 8∼30㎐ 대역의 신호만 통과되도록 필터링 할 수 있다.The
특징 벡터 추출부(130)는 필터링부(120)를 통해 필터링된 뇌전도 신호로부터 특징 벡터를 추출할 수 있다. 일반적으로, 뇌전도 신호에서 특징을 추출하는 경우, 가우시안 필터링, 라플라시안 필터링, 푸리에 변환, 웨이블릿 변환 등을 사용할 수 있다.The feature
그러나, 본 발명에서는 추출되는 특징 벡터에 시간-공간 형태의 특징을 포함할 수 있도록 STFT(Short-Time Fourier Transform) 방법을 이용하여 특징 벡터를 추출할 수 있다.However, in the present invention, a feature vector may be extracted using a STFT (Short-Time Fourier Transform) method so as to include a time-space type feature in an extracted feature vector.
벡터 양자화부(140)에서는 특징 벡터 추출부(130)에서 추출된 특징 벡터에 대해 구성된 코드북(CodeBook) 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행하고, 특징 분류부(150)에서는 뇌전도 신호의 클래스(class)를 구하기 위하여 양자화된 특징 벡터에 대한 클래스를 선택할 수 있다.The
또한, 클러스터링부(160)는 특징 벡터 추출부(130)를 통해 추출된 다양한 형태의 다수의 특징 벡터를 LBG(Linde-Buzo-Gray) 알고리즘을 사용하여 클러스터링한 일정 개수의 대표 특징 벡터를 생성할 수 있고, 코드북 생성부(170)는 일정 개수의 대표 특징 벡터를 이용하여 벡터 양자화부(140)에서 양자화 시 사용되는 코드북 사전을 생성할 수 있다.In addition, the
도 2 및 도 3은 본 발명의 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1 내지 도 2을 참조하여 본 발명의 운동 상상 뇌전도 판별 방법을 설명한다.FIG. 2 and FIG. 3 are flowcharts showing a method of discriminating a motion imaginary EEG using spectral analysis and vector quantization according to the present invention. 1 to 2, a method for discriminating the motion imaginary EEG of the present invention will be described.
도 2에 나타낸 바와 같이, 뇌전도 수신부(110)가 사용자의 뇌전도(Electroencephalogram, EEG) 신호를 수신하면(S101), 뇌전도 필터링부(120)는 수신한 뇌전도 신호에 대해 특정 영역의 주파수 대역으로 필터링을 수행한다(S102).2, when the electroencephalogram (EEG) signal of the user is received by the electroencephalogram receiving unit 110 (S101), the
일반적으로, 운동상상을 수행하는 경우, 뇌전도 신호에는 ERD(Event-related Desynchronization)/ERS(Event-related Synchronization) 패턴이 포함되는데, 이러한 패턴은 뇌전도 신호 중 알파(α)파 영역과 베타(β)파 영역에서 주로 발생될 수 있다.In general, when performing motion imagery, the EEG signal includes Event-related Desynchronization (ERD) / Event-related Synchronization (ERS) patterns, Wave region.
이러한 알파파와 베타파 영역의 정보만을 추출하기 위해, 뇌전도 필터링부(120)에서는 8∼30㎐ 대역의 신호만 통과될 수 있도록 뇌전도 신호를 필터링 할 수 있다. 이때, 뇌전도 필터링부(120)는 예를 들어, 버터워스 필터를 이용한 밴드 패스 필터로 구성될 수 있다.In order to extract only the information of the alpha wave and the beta wave region, the
다음에, 특징 벡터 추출부(130)에서는 뇌전도 필터링부(120)를 통해 필터링된 뇌전도 신호로부터 STFT(Short-Time Fourier Transform) 방법을 이용하여 시간-공간 형태의 특징을 포함하는 특징 벡터를 추출한다(S103).Next, the feature
STFT는 전체 신호를 윈도우 함수를 이용하여 작은 시간 단위로 자른 후 푸리에 변환을 시도할 수 있다.The STFT can perform the Fourier transform after truncating the entire signal using a window function in small time units.
이러한 푸리에 변환은, 예를 들어, 윈도우 함수로 해밍 윈도우를 사용하고 윈도우 사이즈를 1초 가량의 데이터 크기인 128로 설정하였다. 창 함수를 이용 시 양쪽 끝의 정보들은 손실되기 때문에 0.5초의 오버랩 구간을 설정하여 추가적인 시퀀스 구성하였으며, 8-30Hz구간을 특징으로 사용하였다.In this Fourier transform, for example, a Hamming window is used as a window function, and a window size is set to 128, which is a data size of about 1 second. Since the information on both ends is lost when using the window function, an additional sequence is constructed by setting an overlap interval of 0.5 second, and a characteristic of 8-30 Hz is used.
9초 분량의 실험데이터를 0.5초씩 오버랩하였으므로 17개 시퀀스 데이터로 구성된 스펙트럼 특징이 추출될 수 있고, C3와 C4 각각의 채널에 대해 스펙트럼을 구한 뒤 이를 합쳐 46차원의 17개의 벡터로 이루어진 시퀀스를 구성하였으며, 또한 신호의 세기에 많은 차이가 있어 MAX 정규화를 진행하여 0 ~ 1 사이의 값으로 데이터를 정규화함으로써 푸리에 변환을 수행하였다.Since the experiment data of 9 seconds is overlapped every 0.5 second, the spectral feature composed of 17 sequence data can be extracted, spectrum is obtained for each channel of C3 and C4, and a spectrum consisting of 17 vectors of 46 dimensions is constructed In addition, since the signal strength varies greatly, the MAX normalization is performed and the Fourier transform is performed by normalizing the data with a value between 0 and 1.
이후, 벡터 양자화부(140)는 특징 벡터 추출부(130)를 통해 추출된 특징 벡터에 대해 코드북(CodeBook) 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행한다(S104). 벡터 양자화에 사용되는 코드북 사전은 도 3을 참조하여 후술한다.Thereafter, the
벡터 양자화 과정에서 벡터 양자화부(140)는 각각의 특징 벡터들을 가장 가까운 중심 벡터로 대체하여 벡터 양자화하는 것으로, 가장 가까운 중심 벡터를 선택하기 위한 방법으로는 유클리디안 거리(Euclicean Distance) 방법을 사용할 수 있고, 다음의 식 1과 같이 나타낼 수 있다.In the vector quantization process, the
[식 1][Formula 1]
양자화된 특징 벡터에 대해 특징 분류부(150)는 뇌전도 신호의 클래스(class)를 구하기 위하여 양자화된 특징 벡터에 대한 클래스를 선택한다(S105). 이때, 특징 분류부(150)는 다음의 식 2를 이용하여 모든 시퀀스 각각에 해당하는 좌, 우 확률을 곱하여 최종 좌, 우 확률을 구한 후 대소 비교를 통해 값이 큰 쪽을 신호의 클래스로 선택할 수 있다.For the quantized feature vector, the
[식 2][Formula 2]
여기에서, vi는 i번째 벡터에 대응되는 코드북 사전의 인덱스 값을 나타낸다.Here, vi represents the index value of the codebook dictionary corresponding to the i-th vector.
도 3은 본 발명의 운동 상상 뇌전도 판별 방법 중 코드북 사전을 생성하는 것을 설명하기 위한 도면으로, 도 3의 단계(S101 내지 S103)에 각각 기재된 뇌전도 신호 수신 내지 특징 벡터 추출의 과정은 도 2와 동일하기 때문에 그 상세한 설명은 생략한다.FIG. 3 is a diagram for explaining generation of a codebook dictionary in the motion imaginary brain image discrimination method of the present invention. The process of receiving the EEG signal and extracting the feature vector described in steps S101 to S103 of FIG. The detailed description thereof will be omitted.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 특징 벡터 추출(S103) 후에, 클러스터링부(160)는 특징 벡터 추출부(130)를 통해 추출된 다양한 형태의 다수의 특징 벡터를 클러스터링하여 일정 개수의 대표 특징 벡터를 생성한다(S106).Referring to FIGS. 1 to 3, after the feature vector extraction (S103), the
이때, 클러스터링부(160)에서는 LBG(Linde-Buzo-Gray) 알고리즘을 사용할 수 있다. 이 LBG 알고리즘은 여러 가지 오차 측정 방법에도 적용 가능하고, 특히, 음성, 영상 등에 적용시킬 수도 있는 특징이 있다.At this time, the
이후, 코드북 생성부(170)는 일정 개수의 대표 특징 벡터를 이용하여 벡터 양자화부(140)에서 양자화 시 사용되는 코드북 사전을 생성할 수 있다.The
이 경우, 코드북 생성부(170)는 일정 개수의 대표 특징 벡터에 속하는 소속 벡터들, 즉 다수의 특징 벡터의 클래스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 해당 대표 특징 벡터의 좌(left) 혹은 우(right)의 확률을 계산할 수 있다.In this case, the
도 4의 좌측을 보면, 5개의 벡터(검은색 점)를 그룹으로 가지고 있으며, 벡터들의 클래스(class)는 1 또는 2로 구성되어 있고, 각각 2개와 3개의 벡터로 구성되어 있다.In the left part of FIG. 4, five vectors (black dots) are grouped, and the classes of the vectors are composed of 1 or 2, and each of the vectors consists of 2 and 3 vectors.
이것을 비율로 계산하면, 좌의 확률은 40%이고, 우의 확률은 60%의 값이 나오게 된다. 또한, 도 4의 우측을 보면, 클래스(class)는 1 및 2는 각각 4개와 1개의 벡터로 구성되고 있어 좌의 확률은 80%이고, 우의 확률은 20%의 값이 나오게 된다.When calculating this as a ratio, the left probability is 40% and the right probability is 60%. In the right side of FIG. 4,
따라서, 코드북 생성부(170)에서는 이값을 이용하여 해당 대표 특징 벡터의 좌, 우 확률 값을 설정함으로써 코드북 사전을 생성한다.Therefore, the
상기와 같이, 본 발명에서는 뇌전도(Electroencephalogram, EEG)신호를 스펙트럼 분석을 통해 시간-주파수 도메인의 특징을 추출하고 벡터 양자화 과정을 통해 신호를 분류하여 운동상상 뇌전도를 판별할 수 있는 특징이 있다.As described above, in the present invention, features of the time-frequency domain are extracted through spectral analysis of an electroencephalogram (EEG) signal, and signals are classified through a vector quantization process to discriminate the motion imaginary electroencephalogram.
[실험예][Experimental Example]
본 발명의 성능을 확인하기 위하여 2003년의 BCI competition II의 data set III의 motor imagery 실험 데이터로서 Graz University of Technology가 제공한 데이터를 사용하여 테스트를 하였다.In order to confirm the performance of the present invention, the data provided by the Graz University of Technology was used as the motor imagery experimental data of data set III of the 2003 BCI competition II.
도 5는 뇌전도 신호의 타이밍 구조를 예시적으로 나타내는 예시도이며, 도 6은 코드북 크기에 따른 성능 결과를 예시적으로 나타내는 예시도이다.FIG. 5 is an exemplary diagram illustrating a timing structure of an electroencephalogram signal, and FIG. 6 is an exemplary diagram illustrating exemplary performance results according to a codebook size.
동작 상상은 두 클래스로 구성되고, 있으며 각각 좌, 우를 나타내며 총 280개의 학습데이터 140개와 테스트데이터 140개로 구성되어 있다. 1개의 실험 데이터는 도 5에 나타낸 바와 같이, 2초간의 대기 신호와 1초의 십자가 표시 신호 그 후 6초간의 좌 혹은 우의 화살표 표시에 대한 운동 상상 신호에 대해서 C3, C4, CZ의 3개 채널의 데이터를 제공하고 있지만, 본 실험에서는 C3, C4 두 채널을 이용하였다.The operation imagination consists of two classes, each representing left and right, consisting of a total of 280 training data and 140 test data. As shown in FIG. 5, one experimental data shows that three signals of C3, C4, and CZ for the two-second wait signal, one second of the cross display signal, and the motion imaginary signal for the left and right arrow display for six seconds Data are provided, but in this experiment, two channels of C3 and C4 were used.
실험 방법은 학습 뇌전도(EEG)를 이용하여 코드북을 생성하고 test 데이터를 생성된 코드북을 이용해 양자화 후 판별을 진행하는 방법으로 실험을 진행하였다.Experiments were conducted by generating a codebook using learning EEG and quantizing the test data using the generated codebook.
도 6에서는 코드북의 사이즈를 8부터 1024까지 적용한 판별 실험 결과를 그래프로 나타내었다. 코드북의 사이즈에 따라 전체 그룹의 공통된 특징이 강화 되거나 신호 각각의 고유 특징이 강화될 수 있다.FIG. 6 is a graph showing the result of discrimination experiment in which the size of the codebook is applied from 8 to 1024. Depending on the size of the codebook, the common characteristics of the entire group can be enhanced or the unique characteristics of each of the signals can be enhanced.
실험에 사용된 실험 데이터에서 추출된 총 벡터의 양은 2380개로 코드북 사이즈 1024는 실험 데이터에 비해 코드북의 사이즈가 커져 노이즈 혹은 비정상적 신호들이 강화될 수 있지만, 전체적인 성능 평균은 약 74%의 판별 성능을 보이고 있으며 8과 32 사이즈에서 최고 성능인 78.57% 판별 성능을 보였다.The total number of vectors extracted from the experimental data used in the experiment is 2380, and the size of
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. will be. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100 : 운동 상상 뇌전도 판별 시스템
110 : 뇌전도 수신부 120 : 뇌전도 필터링부
130 : 특징 벡터 추출부 140 : 벡터 양자화부
150 : 특징 분류부 160 : 클러스터링부
170 : 코드북 생성부100: Exercise imagination EEG discrimination system
110: an electroencephalogram receiving unit 120: an electroencephalogram filtering unit
130: Feature vector extraction unit 140: Vector quantization unit
150: feature classification unit 160: clustering unit
170: codebook generator
Claims (15)
뇌전도 수신부가 사용자의 뇌전도(Electroencephalogram, EEG) 신호를 수신하는 단계;
뇌전도 필터링부가 수신한 상기 뇌전도 신호에 대해 특정 영역의 주파수 대역으로 필터링 하는 단계;
특징 벡터 추출부가 필터링된 뇌전도 신호로부터 특징 벡터를 추출하는 단계;
벡터 양자화부가 추출된 특징 벡터에 대해 코드북(CodeBook) 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행하는 단계; 및
특징 분류부가 양자화된 특징 벡터의 클래스(class)를 선택하는 단계;를 포함하고,
상기 특징 벡터를 추출하는 단계에서,
추출된 상기 특징 벡터는 시간-공간 형태의 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
A method for discriminating an electrocardiographic brain,
Receiving a user's electroencephalogram (EEG) signal;
Filtering the electroencephalogram signal received by the electroencephalogram filtering unit with a frequency band of a specific region;
Extracting a feature vector from an EEG signal filtered by the feature vector extraction unit;
Performing vector quantization using a codebook dictionary for the feature vector from which the vector quantization unit has been extracted; And
Selecting a class of the feature quantization feature quantization feature vector,
In the step of extracting the feature vector,
Wherein the extracted feature vector includes features of a time-space type.
상기 필터링 단계에서,
상기 뇌전도 필터링부는 8∼30㎐ 대역의 신호만 통과되도록 상기 뇌전도 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
The method according to claim 1,
In the filtering step,
Wherein the EEG filtering unit filters the EEG signal so that only a signal in a band of 8 to 30 Hz is passed through the spectrum analyzer and the vector quantization.
상기 뇌전 필터링부는 버터워스(Butterworth) 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the brain-power filtering unit includes a Butterworth filter. 2. The method of claim 1, wherein the brain-power filtering unit includes a Butterworth filter.
상기 특징 벡터를 추출하는 단계에서,
상기 특징 벡터 추출부는 STFT(Short-Time Fourier Transform) 방법을 이용하여 상기 특징 벡터를 추출하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
The method according to claim 1,
In the step of extracting the feature vector,
Wherein the feature vector extracting unit extracts the feature vector using a short-time Fourier transform (STFT) method.
상기 벡터 양자화 단계에서 상기 벡터 양자화부는 각각의 특징 벡터들을 가장 가까운 중심 벡터로 대체하여 벡터 양자화하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
The method according to claim 1,
Wherein in the vector quantization step, the vector quantization unit performs vector quantization by replacing each feature vector with the closest center vector, and the vector quantization unit performs vector quantization using the spectral analysis and the vector quantization.
상기 벡터 양자화부는 다음의 식을 포함하는 유클리디안 거리 방식을 사용하여 중심 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the vector quantization unit selects a center vector using an Euclidean distance method including the following equation: < EMI ID = 17.0 >
상기 특징 분류부는 다음의 식을 이용하여 상기 클래스(class) 선택하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
(여기에서, vi는 i번째 벡터에 대응되는 코드북 사전의 인덱스 값을 나타냄)
The method according to claim 1,
Wherein the feature classifying unit selects the class using the following equation: < RTI ID = 0.0 >#< / RTI >
(Where vi represents the index value of the codebook dictionary corresponding to the i-th vector)
상기 벡터 양자화 단계에서 사용되는 상기 코드북 사전은,
상기 특징 벡터를 각각 추출하는 단계 후에,
클러스터링부가 추출된 특징 벡터들을 클러스터링하여 일정 개수의 대표 특징 벡터를 생성하는 단계; 및
코드북 생성부가 대표 특징 벡터를 이용하여 코드북 사전을 생성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the codebook dictionary used in the vector quantization step comprises:
After extracting each of the feature vectors,
Clustering feature vectors extracted by the clustering unit to generate a certain number of representative feature vectors; And
And generating a codebook dictionary by using a representative feature vector of the codebook generator. The method of discriminating motion imaginary brain diagram using spectrum analysis and vector quantization.
상기 클러스터링부는 LBG(Linde-Buzo-Gray) 알고리즘을 사용하여 상기 특징 벡터들을 클러스터링하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the clustering unit clusters the feature vectors using an LBG (Linde-Buzo-Gray) algorithm.
수신한 상기 뇌전도 신호를 특정 영역의 주파수 대역으로 필터링 하는 뇌전도 필터링부;
필터링된 뇌전도 신호로부터 시간-공간 형태의 특징을 포함하는 특징 벡터를 추출하는 특징 벡터 추출부;
추출된 다수의 특징 벡터를 클러스터링하여 일정 개수의 대표 특징 벡터를 생성하는 클러스터링부;
생성된 상기 대표 특징 벡터를 이용하여 코드북(CodeBook) 사전을 생성하는 코드북 생성부;
상기 특징 벡터 추출부에서 추출된 상기 특징 벡터에 대해 상기 코드북 사전을 사용하여 벡터 양자화를 수행하는 벡터 양자화부; 및
상기 양자화된 특징 벡터의 클래스(class)를 선택하는 특징 분류부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템.
An electroencephalogram (EEG) signal receiving unit for receiving an electroencephalogram (EEG) signal;
An electroencephalogram filtering unit for filtering the received electroencephalogram signal with a frequency band of a specific region;
A feature vector extractor for extracting a feature vector including a time-space type feature from the filtered EEG signal;
A clustering unit for clustering the extracted feature vectors to generate a certain number of representative feature vectors;
A codebook generator for generating a codebook dictionary using the generated representative feature vectors;
A vector quantization unit that performs vector quantization using the codebook dictionary for the feature vector extracted by the feature vector extraction unit; And
And a feature classifying unit that selects a class of the quantized feature vector. The system for discriminating a motion imaginary brain image using spectral analysis and vector quantization.
상기 뇌전도 필터링부는 버터워스(Butterworth) 필터를 포함하고, 8∼30㎐ 대역의 신호만 통과되도록 상기 뇌전도 신호를 필터링하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the EEG filtering unit includes a Butterworth filter and filters the EEG signal so that only a signal in a band of 8 to 30 Hz is passed through the spectrum analyzer and the vector quantization.
상기 특징 벡터 추출부는 STFT(Short-Time Fourier Transform) 방법을 이용하여 상기 특징 벡터를 추출하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the feature vector extractor extracts the feature vector using a STFT (Short-Time Fourier Transform) method.
상기 벡터 양자화부는 각각의 특징 벡터들을 가장 가까운 중심 벡터로 대체하여 벡터 양자화하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the vector quantization unit performs vector quantization by replacing each feature vector with a nearest center vector, and then performing vector quantization on the motion vector.
상기 벡터 양자화부는 다음의 식을 포함하는 유클리디안 거리 방식을 사용하여 중심 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템.
14. The method of claim 13,
Wherein the vector quantization unit selects a center vector using an Euclidean distance method including the following equation: < EMI ID = 17.0 >
상기 특징 분류부는 다음의 식을 이용하여 상기 양자화된 특징 벡터의 클래스를 선택하는 것을 특징으로 하는 스펙트럼 분석과 벡터 양자화를 이용한 운동 상상 뇌전도 판별 시스템.
(여기에서, vi는 i번째 벡터에 대응되는 코드북 사전의 인덱스 값을 나타냄)11. The method of claim 10,
Wherein the feature classifying unit selects a class of the quantized feature vector using the following equation: < EMI ID = 17.0 >
(Where vi represents the index value of the codebook dictionary corresponding to the i-th vector)
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